Charge transport in disordered materials : simulations, theory, and numerical modeling of hopping transport and electron-hole recombination

Min avhandling behandlar hur oordnade material leder elektrisk ström. Bland materialen som studeras finns ledande polymerer, d.v.s. plaster som leder ström, och mer allmänt organiska halvledare. Av de här materialen har man kunnat bygga elektroniska komponenter, och man hoppas på att kunna trycka hela kretsar av organiska material. För de här tillämpningarna är det viktigt att förstå hur materialen själva leder elektrisk ström. Termen oordnade material syftar på material som saknar kristallstruktur. Oordningen gör att elektronernas tillstånd blir lokaliserade i rummet, så att en elektron i ett visst tillstånd är begränsad t.ex. till en molekyl eller ett segment av en polymer. Det här kan jämföras med kristallina material, där ett elektrontillstånd är utspritt över hela kristallen (men i stället har en väldefinierad rörelsemängd). Elektronerna (eller hålen) i det oordnade materialet kan röra sig genom att tunnelera mellan de lokaliserade tillstånden. Utgående från egenskaperna för den här tunneleringsprocessen, kan man bestämma transportegenskaperna för hela materialet. Det här är utgångspunkten för den så kallade hopptransportmodellen, som jag har använt mig av. Hopptransportmodellen innehåller flera drastiska förenklingar. Till exempel betraktas elektrontillstånden som punktformiga, så att tunneleringssannolikheten mellan två tillstånd endast beror på avståndet mellan dem, och inte på deras relativa orientation. En annan förenkling är att behandla det kvantmekaniska tunneleringsproblemet som en klassisk process, en slumpvandring. Trots de här grova approximationerna visar hopptransportmodellen ändå många av de fenomen som uppträder i de verkliga materialen som man vill modellera. Man kan kanske säga att hopptransportmodellen är den enklaste modell för oordnade material som fortfarande är intressant att studera. Man har inte hittat exakta analytiska lösningar för hopptransportmodellen, därför använder man approximationer och numeriska metoder, ofta i form av datorberäkningar. Vi har använt både analytiska metoder och numeriska beräkningar för att studera olika aspekter av hopptransportmodellen. En viktig del av artiklarna som min avhandling baserar sig på är att jämföra analytiska och numeriska resultat. Min andel av arbetet har främst varit att utveckla de numeriska metoderna och applicera dem på hopptransportmodellen. Därför fokuserar jag på den här delen av arbetet i avhandlingens introduktionsdel. Ett sätt att studera hopptransportmodellen numeriskt är att direkt utföra en slumpvandringsprocess med ett datorprogram. Genom att föra statisik över slumpvandringen kan man beräkna olika transportegenskaper i modellen. Det här är en så kallad Monte Carlo-metod, eftersom själva beräkningen är en slumpmässig process. I stället för att följa rörelsebanan för enskilda elektroner, kan man beräkna sannolikheten vid jämvikt för att hitta en elektron i olika tillstånd. Man ställer upp ett system av ekvationer, som relaterar sannolikheterna för att hitta elektronen i olika tillstånd i systemet med flödet, strömmen, mellan de olika tillstånden. Genom att lösa ekvationssystemet fås sannolikhetsfördelningen för elektronerna. Från sannolikhetsfördelningen kan sedan strömmen och materialets transportegenskaper beräknas. En aspekt av hopptransportmodellen som vi studerat är elektronernas diffusion, d.v.s. deras slumpmässiga rörelse. Om man betraktar en samling elektroner, så sprider den med tiden ut sig över ett större område. Det är känt att diffusionshastigheten beror av elfältet, så att elektronerna sprider sig fortare om de påverkas av ett elektriskt fält. Vi har undersökt den här processen, och visat att beteendet är väldigt olika i endimensionella system, jämfört med två- och tredimensionella. I två och tre dimensioner beror diffusionskoefficienten kvadratiskt av elfältet, medan beroendet i en dimension är linjärt. En annan aspekt vi studerat är negativ differentiell konduktivitet, d.v.s. att strömmen i ett material minskar då man ökar spänningen över det. Eftersom det här fenomenet har uppmätts i organiska minnesceller, ville vi undersöka om fenomenet också kan uppstå i hopptransportmodellen. Det visade sig att det i modellen finns två olika mekanismer som kan ge upphov till negativ differentiell konduktivitet. Dels kan elektronerna fastna i fällor, återvändsgränder i systemet, som är sådana att det är svårare att ta sig ur dem då elfältet är stort. Då kan elektronernas medelhastighet och därmed strömmen i materialet minska med ökande elfält. Elektrisk växelverkan mellan elektronerna kan också leda till samma beteende, genom en så kallad coulombblockad. En coulombblockad kan uppstå om antalet ledningselektroner i materialet ökar med ökande spänning. Elektronerna repellerar varandra och ett större antal elektroner kan leda till att transporten blir långsammare, d.v.s. att strömmen minskar.

Defects in Persistent Luminescence Materials

Persistent luminescence materials can store energy from solar radiation or artificial lighting and release it over a period of several hours without a continuous excitation source. These materials are widely used to improve human safety in emergency and traffic signalization. They can also be utilized in novel applications including solar cells, medical diagnostics, radiation detectors and structural damage sensors. The development of these materials is currently based on methods based on trial and error. The tailoring of new materials is also hindered by the lack of knowledge on the role of their intrinsic and extrinsic lattice defects in the appropriate mechanisms. The goal of this work was to clarify the persistent luminescence mechanisms by combining ab initio density functional theory (DFT) calculations with selected experimental methods. The DFT approach enables a full control of both the nature of the defects and their locations in the host lattice. The materials studied in the present work, the distrontium magnesium disilicate (Sr₂MgSi₂O₇) and strontium aluminate (SrAl₂O₄) are among the most efficient persistent luminescence hosts when doped with divalent europium Eu²⁺ and co-doped with trivalent rare earth ions R³⁺ (R: Y, La-Nd, Sm, Gd-Lu). The polycrystalline materials were prepared with the solid state method and their structural and phase purity was confirmed by X-ray powder diffraction. Their local crystal structure was studied by high-resolution transmission electron microscopy. The crystal and electronic structure of the nondoped as well as Eu²⁺, R^2+/3+ and other defect containing materials were studied using DFT calculations. The experimental trap depths were obtained using thermoluminescence (TL) spectroscopy. The emission and excitation of Sr₂MgSi₂O₇:Eu²+,Dy³⁺ were also studied. Significant modifications in the local crystal structure due to the Eu²⁺ ion and lattice defects were found by the experimental and DFT methods. The charge compensation effects induced by the R³⁺ co-doping further increased the number of defects and distortions in the host lattice. As for the electronic structure of Sr₂MgSi₂O₇ and SrAl₂O₄, the experimental band gap energy of the host materials was well reproduced by the calculations. The DFT calculated Eu²⁺ and R^2+/3+ 4fn as well as 4f^n-15d¹ ground states in the Sr₂MgSi₂O₇ band structure provide an independent verification for an empirical model which is constructed using rather sparse experimental data for the R³⁺ and especially the R²⁺ ions. The intrinsic and defect induced electron traps were found to act together as energy storage sites contributing to the materials’ efficient persistent luminescence. The calculated trap energy range agreed with the trap structure of Sr₂MgSi₂O₇ obtained using TL measurements. More experimental studies should be carried out for SrAl₂O₄ to compare with the DFT calculations. The calculated and experimental results show that the electron traps created by both the rare earth ions and vacancies are modified due to the defect aggregation and charge compensation effects. The relationships between this modification and the energy storage properties of the solid state materials are discussed.

Practical Experiences with Ingesting Materials for Long-Term Preservation

The National Library of Finland is responsible for the collection, preservation and accessibility of Finland’s published national heritage, and for its other unique collections. This presentation will give a general overview of the several processes employed in the digitization and handling of electronic legal deposit. METS format has been chosen as the container format for digitized materials, and considerable amount of effort has been put into creating adequate METS profiles. As METS will be heavily relied as a container format, the practicalities are discussed in some depth. Regarding electronic legal deposit, the National Library has concentrated on large-scale web harvesting. Depositing of e-books is being tested with publishers. The future plans concerning digital preservation will be presented, especially the National Digital Library initiative.

Segregation of powder mixtures in silos with particular reference to dry mineral-based construction materials

Segregering eller segregation är ett fenomen som kan förekomma inom olika områden av samhället. Inom samhällsvetenskaperna kan segregering definieras som det rumsliga åtskiljandet av befolkningsgrupper på urval av ras eller etniskt ursprung, kön, social härkomst, religion, ålder, yrke, osv. Segregering av befolkningsgrupper sker ofta mer eller mindre frivilligt och är motsatsen till integration. Inom partikelteknologi definieras segregering oftast som det rumsliga åtskiljandet av beståndsdelarna i en blandning av olika partiklar. Segregering sker då på urval av bl.a. partiklarnas storlek, densitet, form, elektrostatiska eller mekaniska egenskaper, och kan beskrivas som motsatsen till blandning. Segregeringsmekanismer används för att förklara hur och varför en partikelblandning segregerar samt vad slutresultatet i form av den rumsliga fördelningen av partiklarna blir till följd av att blandningen utsetts för en viss behandling. I denna avhandling har segregering av partikelblandningar och speciellt torra mineralbaserade byggmaterial (t.ex. murbruk) till följd av lagring i siloer studerats. Vid industriell produktion av mineralbaserade byggmaterial används siloer för korttidslagring av slutprodukterna precis innan förpackning. Segregering leder till kraftiga variationer i sammansättningen för partikelströmmen ut ur silon, vilket gör att slutprodukterna inte uppfyller kvalitetskraven och kan därmed inte säljas till kunder. Detta leder till arbetsam och dyr bearbetning (återcirkulation) av produkterna med påföljder för produktionsekonomin samt hållbara utvecklingen. I avhandlingen identifierades de väsentligaste segregeringsmekanismerna för torra mineralbaserade byggmaterial i siloer. Dessutom klargjordes effekterna av materialegenskaper, processbetingelser och siloparametrar. Slutligen behandlas möjliga åtgärder för minskning av partikelsegregering i siloer samt tillämpning av matematiska metoder för simulering av partikelflöden med hjälp av datorer.

Evaluation of covering materials in individual shelters and its effects on physiological responses and performance of dairy calves

In Tropical regions, the animal performance is often affected by climate conditions. This study aimed to evaluate covering materials in individual shelters, normally used to house dairy calves, and its influence on the calves physiology and performance. The design used was completely randomized, with a 2x3 factorial arrangement to compare the averages of 5% through the Tukey's test, i.e., both genders- and three types of covering in the shelters (Z - zinc; AC - asbestos cement; and WPAC - white-painted asbestos cement). Parameters evaluated included daily weight gain (DWG), dry matter intake (DMI), feed conversion (FC), rectal temperature (RT), and respiratory frequency (RF). Results showed significant differences (P < 0.05) among males (1.04kg/day) and females (0.74kg/day) for DWG and interaction between gender and treatment (P < 0.05) for zinc covering (0.562kg/day for females and 1.120kg/day for males). Significant differences were also observed in FI of animals housed under shelters with the covering of zinc (48.35kgDM/day for females and 96.91 kgDM/day for males). There were no significant differences (P > 0.05) in the FC and the RT, and there were significant differences (P < 0.05) for RF in the Z treatments (56.9 mov.min-1), WPAC (62.2 mov.min-1) and FC (70.25 mov.min-1). It was concluded that different covering materials did not affect performance and dry matter intake of dairy calves. However, the animals' physiology of thermoregulation was altered by the different covering materials used in individual shelters.

Thermal comfort in reduced models of broilers' houses, under different types of roofing materials

The research was developed to evaluate the use of different types of roofing materials regularly used in poultry houses. Measurements of thermal comfort were made through the use of techniques such as the Black Globe and Humidity Index (BGHI), the Thermal Heat Load (THL) and Enthalpy (H). Conducted in the State University of Goiás, during the months of April and May, 2011, the experiment was composed of five different treatments: AC - Asbestos cement tiles, BA -Bamboo tiles, BAP - Bamboo tiles painted in white, FB -Vegetable fiber tiles and bitumen, FBP -Vegetable fiber tiles and bitumen painted in white. The experiment consisted in 15 repetitions, which were considered the different days of measurements taken. Throughout the studied period, the time of the day considered the least comfortable was the one observed at 2:00pm, and the coverage of vegetable fiber and bitumen showed the highest value of BGHI (84.1) when compared to other types of coverage, characterizing a situation of lower thermal comfort, and no difference was found for THL and H on treatments in the studied region.

Evaluation of roof slope and exposure with different roofing materials in reduced models of animal production facilities in spring and summer

The present study was conducted at the Department of Rural Engineering and the Department of Animal Morphology and Physiology of FCAV/Unesp, Jaboticabal, SP, Brazil. The objective was to verify the influence of roof slope, exposure and roofing material on the internal temperature of reduced models of animal production facilities. For the development of the research, 48 reduced and dissemble models with dimensions 1.00 × 1.00 × 0.50 m were used. The roof was shed-type, and the models faced to the North or South directions, with 24 models for each side of exposure. Ceramic, galvanized-steel and fibro tiles were used to build the roofs. Slopes varied between 20, 30, 40 and 50% for the ceramic tile and 10, 30, 40 and 50% for the other two. Inside the models, temperature readings were performed at every hour, for 12 months. The results were evaluated in a general linear model in a nested 3 × 4 × 2 factorial arrangement, in which the effects of roofing material and exposure were nested on the factor Slope. Means were compared by the Tukey test at 5% of probability. After analyzing the data, we observed that with the increase in the slope and exposure to the South, there was a drop in the internal temperature within the model at the geographic coordinates of Jaboticabal city (SP/Brazil).

Internal ambience of beehives Apis mellifera with different colors and roofing materials in the sub middle of the São Francisco Valley

ABSTRACTThe current study aimed to evaluate the influence of three colors and two types of roofing materials under the internal temperature of bee colonies Apis mellifera. The experiment was conducted at the Agricultural Sciences Campus at the Federal University of Sao Francisco Valley located in Petrolina-PE, in November and December 2013, using 24 colonies housed in Langstroth hives. The experiment was a completely randomized factorial design (3x2) with three colors of box (blue, white, and traditional) and two types of cover (with and without the use of plaster) with six treatments and four replications. The internal temperature dates of the colonies were hourly recorded, during 24 hours, and surface temperatures were hourly recorded between 08h00 and 17h00. The highest values for surface and internal temperature were registered in the blue painted boxes without the use of plasterboard, and the blue painted boxes covered with plasterboard respectively. However, the lowest values ​​were found in the white painted hives and hives that have not received the plasterboard. It is recommended to paint boxes with bright colors, and the use of plasterboard had no effect in reducing the internal temperature.

Corrosion behaviour of boiler tube materials during combustion of fuels containing Zn and Pb

Många förbränningsanläggningar som bränner utmanande bränslen såsom restfraktioner och avfall råkar ut för problem med ökad korrosion på överhettare och/eller vattenväggar pga. komponenter i bränslena som är korrosiva. För att minimera problemen i avfallseldade pannor hålls ångparametrarna på en relativt låg nivå, vilket drastiskt minskar energiproduktionen. Beläggningarna i avfallseldade pannor består till största delen av element som är förknippade med högtemperaturkorrosion: Cl, S, alkalimetaller, främst K och Na, och tungmetaller som Pb och Zn, och det finns också indikationer av Br-förekomst. Det låga ångtrycket i avfallseldade pannor påverkar också stålrörens temperatur i pannväggarna i eldstaden. I dagens läge hålls temperaturen normalt vid 300-400 °C. Alkalikloridorsakad (KCl, NaCl) högtemperaturkorrosion har inte rapporterats vara relevant vid såpass låga temperaturer, men närvaro av Zn- och Pb-komponenter i beläggningarna har påvisats förorsaka ökad korrosion redan vid 300-400 °C. Vid förbränning kan Zn och Pb reagera med S och Cl och bilda klorider och sulfater i rökgaserna. Dessa tungmetallföreningar är speciellt problematiska pga. de bildar lågsmältande saltblandningar. Dessa lågsmältande gasformiga eller fasta föreningar följer rökgasen och kan sedan fastna eller kondensera på kallare ytor på pannväggar eller överhettare för att sedan bilda aggressiva beläggningar. Tungmetallrika (Pb, Zn) klorider och sulfater ökar risken för korrosion, och effekten förstärks ytterligare vid närvaro av smälta. Motivet med den här studien var att få en bättre insikt i högtemperaturkorrosion förorsakad av Zn och Pb, samt att undersöka och prediktera beteendet och motståndskraften hos några stålkvaliteter som används i överhettare och pannväggar i tungmetallrika förhållanden och höga materialtemperaturer. Omfattande laboratorie-, småskale- och fullskaletest utfördes. Resultaten kan direkt utnyttjas i praktiska applikationer, t.ex. vid materialval, eller vid utveckling av korrosionsmotverkande verktyg för att hitta initierande faktorer och förstå deras effekt på högtemperaturkorrosion.

Modern Metallic Materials for Arctic Environment

This thesis is part of the Arctic Materials Technologies Development –project, which aims to research and develop manufacturing techniques, especially welding, for Arctic areas. The main target of this paper is to clarify what kind of European metallic materials are used, or can be used, in Arctic. These materials include mainly carbon steels but also stainless steels and aluminium and its alloys. Standardized materials, their properties and also some recent developments are being introduced. Based on this thesis it can be said that carbon steels (shipbuilding and pipeline steels) have been developed based on needs of industry and steels exist, which can be used in Arctic areas. Still, these steels cannot be fully benefited, because rules and standards are under development. Also understanding of fracture behavior of new ultra high strength steels is not yet good enough, which means that research methods (destructive and non-destructive methods) need to be developed too. The most of new nickel-free austenitic and austenitic-ferritic stainless steels can be used in cold environment. Ferritic and martensitic stainless steels are being developed for better weldability and these steels are mainly developed in nuclear industry. Aluminium alloys are well suitable for subzero environment and these days high strength aluminium alloys are available also as thick sheets. Nanotechnology makes it possible to manufacture steels, stainless steels and aluminium alloys with even higher strength. Joining techniques needs to be developed and examined properly to achieve economical and safe way to join these modern alloys.

Sorption of metal ions to wood, pulp and bark materials

Ett huvudmål med denna avhandling var att erhålla ny information om växelverkan mellan metalljoner i vattenfas och träbaserade material såsom olika pappersmassor, ved och bark. Material av gran, tall och björk har studerats. En ny känslig kolonnkromatografisk metod utvecklades för bestämning av affinitetsordningar för 17 olika metalljoner. Av dessa bands trevärt järn och de mycket toxiska tungmetallerna bly, koppar och kadmium starkast till de studerade materialen. Växelverkan i dessa tvåfas system sker som jonbyte, huvudsakligen via komplexbildning av metalljoner till funktionella grupper i den fasta fasen. Vattenfasens pH är den viktigaste parametern som bestämmer totala halten av metalljoner som binds till materialen. Resultatet i denna avhandling kan delvis betraktas som grundforskning. En ny kunskap om metalljoners förekomst och kemiska reaktioner i dessa system är även av stor ekonomisk och ekologisk, betydelse, när man strävar till allt mera slutna system i moderna massafabriker. Avhandlingen visar också att trädbark har stor potential för biosorption av tungmetaller t.ex. från avfallsvatten. Trädbark har nästan lika stor bindningskapacitet som dyra syntetiska jonbytare.

Single access laparoscopic cholecystectomy: technique without the need for special materials and with better ergonomics

The authors describe a surgical technique which allows, without increasing costs, to perform laparoscopic cholecystectomy with a single incision, without using specific materials and with better surgical ergonomics. The technique consists of a longitudinal umbilical incision, navel detachment, use of a permanent 10mm trocar and two clamps directly and bilaterally through the aponeurosis without the use of 5mm trocars, transcutaneous gallbladder repair with straight needle cotton suture, ligation with unabsorbable suture and umbilical incision for the specimen extraction. The presented technique enables the procedure with conventional and permanent materials, improving surgical ergonomics, with safety and aesthetic advantages.

Interference of age and repetition of the same noxious stimulus on hyperalgesia

Pain in animals has been recognized for less than one century. Several authors confirm that animals are capable to process, register and modulate nociceptive stimuli in a very similar way to human kind and there are several evidences registering the impact of pain sensation over vital systems interfering on disease outcome. Nevertheless, despite some evidences that animals, as human beings, can store information from past painful experiences less is known about how this so called pain memory works. The aims of this study were: to evaluate if the response to a painful stimuli differs during different stages of life and if repetition of a same acute stimuli in the same animal interferes with expression of hyperalgesia. Thus, 60 rats were selected and arranged in 3 equal groups: 3 months, 6 months, and 9 months of age. All animals were injected 5% formalin solution in the plantar face of hind paw under volatile general anesthesia. Von Frey filaments were applied at 1h, 24h and 48h after sensitization. Injection was repeated twice with a 30-day interval, each time in a different hind paw. Results showed that younger rats express lower hyperalgesia thresholds in the first stimulation compared to elder animals and that repetition of same stimulus diminishes hyperalgesia thresholds when it begins during infant period and augments hyperalgesia thresholds when it begins during elder ages.