Magnetic properties of defective graphene

In this thesis, the influence of the functionalization of graphene and graphite on their magnetic properties was investigated. The functionalization was performed by covalent attaching of a phenyl groups with three different radicals (4-bromoaniline, 4-chloroaniline and 4-nitroaniline). Magnetic properties were measured by SQUID magnetometer. Both pristine graphite and graphene showed strong diamagnetic behavior. For good quality graphite, diamagnetism was found to be temperature-dependent. All samples demonstrated noticeable paramagnetic contribution below 50 K. According to fitting experimental results with Brillouin function and Curie law, it was shown that paramagnetism is provided by small clusters of spins (superparamagnetic behavior). Moreover, the clusters size and spin concentrations were calculated. For the samples functionalized with nitroaniline the antiferromagnetic transition around 120 K was observed. To explain this behavior, a simple model was proposed. Additional analysis of the graphene quality, structure and composition of the samples was carried out by HRTEM, EDS mapping, Raman spectroscopy and X-ray diffraction techniques.

Investigation of Frustrated Quasi-One-Dimensional Quantum Spin-Chain Materials

Copper arsenite CuAs2O4 and Copper antimonite CuSb2O4 are S=1/2 (Cu2+ 3d9 electronic configuration) quasi-one-dimensional quantum spin-chain compounds. Both compounds crystallize with tetragonal structures containing edge sharing CuO6 octahedra chains which experience Jahn-Teller distortions. The basal planes of the octahedra link together to form CuO2 ribbon-chains which harbor Cu2+ spin-chains. These compounds are magnetically frustrated with competing nearest-neighbour and next-nearest-neighbour intrachain spin-exchange interactions. Despite the similarities between CuAs2O4 and CuSb2O4, they exhibit very different magnetic properties. In this thesis work, the physical properties of CuAs2O4 and CuSb2O4 are investigated using a variety of experimental techniques which include x-ray diffraction, magnetic susceptibility measurements, heat capacity measurements, Raman spectroscopy, electron paramagnetic resonance, neutron diffraction, and dielectric capacitance measurements. CuAs2O4 exhibits dominant ferromagnetic nearest-neighbour and weaker antiferromagnetic next-nearest-neighbour intrachain spin-exchange interactions. The ratio of the intrachain interactions amounts to Jnn/Jnnn = -4.1. CuAs2O4 was found to order with a ferromagnetic groundstate below TC = 7.4 K. An extensive physical characterization of the magnetic and structural properties of CuAs2O4 was carried out. Under the effect of hydrostatic pressure, CuAs2O4 was found to undergo a structural phase transition at 9 GPa to a new spin-chain structure. The structural phase transition is accompanied by a severe alteration of the magnetic properties. The high-pressure phase exhibits dominant ferromagnetic next-nearest-neighbour spin-exchange interactions and weaker ferromagnetic nearest-neighbour interactions. The ratio of the intrachain interactions in the high-pressure phase was found to be Jnn/Jnnn = 0.3. Structural and magnetic characterizations under hydrostatic pressure are reported and a relationship between the structural and magnetic properties was established. CuSb2O4 orders antiferromagnetically below TN = 1.8 K with an incommensurate helicoidal magnetic structure. CuSb2O4 is characterized by ferromagnetic nearest-neighbour and antiferromagnetic next-nearest-neighbour spin-exchange interactions with Jnn/Jnnn = -1.8. A (H, T) magnetic phase diagram was constructed using low-temperature magnetization and heat capacity measurements. The resulting phase diagram contains multiple phases as a consequence of the strong intrachain magnetic frustration. Indications of ferroelectricity were observed in the incommensurate antiferromagnetic phase.

Towards the nanomechanical actuation and controlled assembly of nanomaterials using charge-transfer reactions in electroactive self-assembled monolayers

Les microcantileviers fonctionnalisés offrent une plateforme idéale pour la nano- et micro-mécanique et pour le développement de (bio-) capteurs tres sensible. Le principe d’opération consiste dans des évènements physicochimiques qui se passent du côté fonctionnalisé du microcantilevier induisant une différence de stress de surface entre les deux côtés du cantilevier qui cause une déflexion verticale du levier. Par contre, les facteurs et les phénomènes interfacials qui régissent la nature et l'intensité du stress de surface sont encore méconnus. Pour éclaircir ce phénomène, la première partie de cette thèse porte sur l'étude des réactions de microcantileviers qui sont recouverts d'or et fonctionnalisés par une monocouche auto-assemblée (MAA) électroactive. La formation d'une MAA de ferrocènylundécanethiol (FcC11SH) à la surface d'or d'un microcantilevier est le modèle utilisé pour mieux comprendre le stress de surface induit par l’électrochimie. Les résultats obtenus démontrent qu'une transformation rédox de la MAA de FcC11SH crée un stress de surface qui résulte dans une déflexion verticale du microcantilevier. Dépendamment de la flexibilité du microcantilevier, cette déflexion peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. L’oxydation de cette MAA de FcC11SH dans un environnement d'ions perchlorate génère un changement de stress de surface compressive. Les résultats indiquent que la déflexion du microcantilevier est due à une tension latérale provenant d'une réorientation et d'une expansion moléculaire lors du transfért de charge et de pairage d’anions. Pour vérifier cette hypothèse, les mêmes expériences ont été répéteés avec des microcantileviers qui ont été couverts d'une MAA mixte, où les groupements électroactifs de ferrocène sont isolés par des alkylthiols inactifs. Lorsqu’un potentiel est appliqué, un courant est détecté mais le microcantilevier ne signale aucune déflexion. Ces résultats confirment que la déflexion du microcantilevier est due à une pression latérale provenant du ferrocènium qui se réorganise et qui crée une pression sur ses pairs avoisinants plutôt que du couplage d’anions. L’amplitude de la déflexion verticale du microcantilevier dépend de la structure moléculaire de la MAA et du le type d’anion utilisés lors de la réaction électrochimique. Dans la prochaine partie de la thèse, l’électrochimie et la spectroscopie de résonance de plasmon en surface ont été combinées pour arriver à une description de l’adsorption et de l’agrégation des n-alkyl sulfates à l’interface FcC11SAu/électrolyte. À toutes les concentrations de solution, les molécules d'agent tensio-actif sont empilées perpendiculairement à la surface d'électrode sous forme de monocouche condensé entrecroisé. Cependant, la densité du film spécifiquement adsorbé s'est avérée être affectée par l'état d'organisation des agents tensio-actifs en solution. À faible concentration, où les molécules d'agent tensio-actif sont présentes en tant que monomères solvatés, les monomères peuvent facilement s'adapter à l’évolution de la concentration en surface du ferrocènium lors du balayage du potential. Cependant, lorsque les molécules sont présentes en solution en tant que micelles une densité plus faible d'agent tensio-actif a été trouvée en raison de l'incapacité de répondre effectivement à la surface de ferrocenium générée dynamiquement.

Structure et propriétés électroniques de nanotubes de carbone en solution polyélectrolyte

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Spectroscopie de complexes plans carrés de platine(II) et de palladium(II) en fonction de la température et de la pression : structure et énergie

Les interactions entre des complexes de platine (II) ou de palladium (II) ont une grande influence sur une grande gamme de propriétés chimiques et physiques. Ces propriétés peuvent être étudiées par plusieurs méthodes spectroscopiques comme la spectroscopie Raman, d’absorption, d’émission et de réflectivité diffuse. L’empilement de molécules a un effet important sur les propriétés spectroscopiques de plusieurs composés des éléments de transition. La spectroscopie est très utile pour comprendre les effets intermoléculaires majeurs de plusieurs composés inorganiques. Les complexes plan-carré de platine(II) et de palladium(II) sont très intéressants à cause de leur grande quantité d’effets intermoléculaires et intramoléculaires. Des mesures avec des variations de pression (entre 1 bar et 40 kbar) et de température (entre 80 K et 300 K) ont été effectuées sur ces complexes. La structure à l’état fondamental des composés de platine(II) et de palladium(II) a un effet important sur la spectroscopie de luminescence. Des complexes avec des donneurs axiaux mènent à un effet de déplacement du maximum d’émission vers de plus basses énergies avec l’augmentation de pression. Des complexes similaires sans composante axiale ont un maximum d’émission qui se déplace vers des plus hautes énergies. Ces effets sont explorés à l’aide de plusieurs composés incluant une série de complexes pinceur qui ont démontré des déplacements entre -1 cm-1/kbar et -30 cm-1/kbar. Le changement du type d’émission causé par un changement de pression ou de température est aussi observable. Un complexe de platine(II) montre un changement d’une transition centrée sur le ligand à pression ambiante à une transition de type transfert de charge à plus haute pression. La combinaison de l’information cristallographique et spectroscopique donne de l’information quantitative sur les variations de la structure et des niveaux électroniques de plusieurs complexes.

Dynamique de séparation de charges à l'hétérojonction de semi-conducteurs organiques

Une compréhension profonde de la séparation de charge à l’hétérojonction de semi-con- ducteurs organiques est nécessaire pour le développement de diodes photovoltaïques organiques plus efficaces, ce qui serait une grande avancée pour répondre aux besoins mondiaux en énergie durable. L’objectif de cette thèse est de décrire les processus impliqués dans la séparation de charges à hétérojonctions de semi-conducteurs organiques, en prenant en exemple le cas particulier du PCDTBT: PCBM. Nous sondons les excitations d’interface à l’aide de méthodes spectroscopiques résolues en temps couvrant des échelles de temps de 100 femto- secondes à 1 milliseconde. Ces principales méthodes spectroscopiques sont la spectroscopie Raman stimulée femtoseconde, la fluorescence résolue en temps et l’absorption transitoire. Nos résultats montrent clairement que le transfert de charge du PCDTBT au PCBM a lieu avant que l’exciton ne soit relaxé et localisé, un fait expérimental irréconciliable avec la théorie de Marcus semi-classique. La paire de charges qui est créée se divise en deux catégories : les paires de polarons géminales non piégées et les paires profondément piégées. Les premiers se relaxent rapidement vers l’exciton à transfert de charge, qui se recombine radiativement avec une constante de temps de 1– 2 nanoseconde, alors que les seconds se relaxent sur de plus longues échelles de temps via l’effet tunnel. Notre modèle photophysique quantitatif démontre que 2 % de l’excitation créée ne peut jamais se dissocier en porteurs de charge libre, un chiffre qui est en accord avec les rendements élevés rapportés pour ce type de système.

Spectroscopie de luminescence à température et pression variables pour des complexes des lanthanides et de l'or

Ce travail est axé vers la compréhension détaillée des propriétés de luminescence de composés de certains métaux lourds. La première partie de ce mémoire décrit la caractérisation spectroscopique d'un radical de type nitronyle nitroxyde, 2-(2-pyridinyl)-4,4,5,5-tétraméthyl-4,5-dihydro-1H-imidazolyl-1-oxyl-3-oxyde, abrégé (NIT2-Py), et de ses complexes avec les cations Tb(III), [Tb(hfac)3NIT2-Py], et Y(III), [Y(hfac)3NIT2-Py]. La variation de la température affecte les spectres de luminescence qui montrent de la structure vibronique résolue. Les maxima de ces transitions vibroniques se rapprochent au fur et à mesure que la température augmente. Ces variations des maxima en fonction de la température ne correspondent pas à des variations de fréquences vibrationnelles et sont de l'ordre de 200 cm-1 entre 80 K et 240 K. La variation de la température n'a pas d'influence significative sur la structure moléculaire, comme atteste la variation mineure des maxima des spectres Raman entre 80 K et 300 K. La comparaison des spectres expérimentaux à des spectres calculés montre que ces variations peuvent être reproduites par l'utilisation d'une combinaison de fréquences vibrationnelles. Le paramètre dont la variation est très significative est la résolution du spectre de luminescence, représentée par la largeur à mi-hauteur des transitions vibroniques qui forment le spectre de luminescence. La deuxième partie de ce mémoire décrit les propriétés de luminescence d'une série de complexes d’or(I). Elles sont comparées aux changements structuraux à pression et température variable. Les interactions aurophiles ont une grande influence sur la luminescence. La variation de la température et de la pression est une approche efficace pour varier la luminescence. Les effets observés dans les spectres d'émission de ces complexes dépendent des changements de structure induits par variation de la température et de la pression. Ces petites variations structurales mènent à des changements importants, à titre d'exemple à un déplacement du maximum de la bande de luminescence de 60 cm-1/ kbar vers les faibles énergies pour un des complexes de l'or(I) étudiés au cours de ce projet.

Agrégation de tensioactifs anioniques à une interface solide-aqueux induite par l'oxydation d'une monocouche auto-assemblée de ferrocenylalkanethiolates

L'oxydoréduction des monocouches auto-assemblées («Self-assembled monolayers ou SAMs) de ferrocenyldodecanethiolates sur une surface d'or (Fc(CH2)12SAu) dans des solutions aqueuses de n-alkyle sulfate de sodium (6, 8, 10 et 12 atomes de carbone) est étudiée par spectroscopie de résonance des plasmons de surface («Surface Plasmons Resonance ou SPR) couplée avec de la voltampérométrie cyclique (VC). La technique SPR est utilisée pour suivre en temps réel l'adsorption des tensioactifs en fonction du potentiel appliqué. Elle permet de quantifier l'épaisseur et le recouvrement des molécules adsorbées pour déterminer l'organisation des tensioactifs anioniques sur la SAM. La VC est utilisée afin de caractériser l'oxydation du groupement ferrocène en présence des n-alkyle sulfate de sodium qui s'associent à la SAM grâce à l'appariement entre le ferrocénium et le groupement sulfate. Des mélanges binaires d'alkylesulfates de différentes compositions sont utilisés dans le but de déterminer l'organisation induite par une réaction d'oxydoréduction. L'effet de la longueur de la chaîne d'hydrocarbures sur la quantité de tensioactifs anioniques adsorbés ainsi que les affinités relatives d'appariement des anions alkyle sulfate aux ferrocéniums sont rapportés dans ce mémoire. Ces surfaces électrosensibles permettront la détection de molécules amphiphiles et la compréhension du comportement de mélanges binaires de tensioactifs. Ainsi, ces travaux apporteront une avancée sur la modulation électrochimique de l'organisation de matériaux sur des substrats solides basée sur l'appariement d'ions.

Metamorphism and Fluid Inclusion Studies of Charnockites and Associated Rocks from the Madurai Granulite Block , Southern India with Special Reference to Graphite Mineralization

The present research is aimed at studying the charnockites and associated rocks of the Madurai Granulite Block (MGB), especially in terms of their field settings, texture, mineralogy, and mineral chemistry analyzing their petrogenesis with the help of thermobarometrical studies and geochronological constraints. The mechanism of charnockitization by the influx of CO2 rich fluids and its relation to the graphite mineralization is actually a matter of discussion and study. The objectives of the present study are, to delineate petrological and structural relationship of charnockites and associated gneissic rocks, to study the field and petrogenetic aspects of graphite mineralization in the MGB, to establish and re-evaluate the P-T conditions of formation of the rocks with the aid of thermbarometric computations and to compare with the earlier studies, characterization of graphite with XRD, Raman spectroscopy and isotope studies together with a search in to its genesis and its relation to the high-grade metamorphism of the terrain, to evaluate the role of CO2 bearing fluids in the processes of charnockitization as well as in the genesis of graphite within the high-grade terrain and to delineate the metamorphic geochronology of selected rocks using ‘monazite dating’ technique with EPMA.

Synthesis, characterization and hydrodesulphurisation activity of CoMo/gama-Al2O3 catalyst prepared through molecular designed dispersion method

CoMo/gama-Al2O3 catalysts for hydrodesulphurisation activity were prepared by making use of the molecular designed dispersion (MDD) method. Molybdenum and cobalt pyrrolidine-N-carbodithioate (Pydtc) complexes were used for the incorporation of metals on the support. The catalysts were characterized by elemental analysis, low temperature oxygen chemisorption, temperature programmed reduction (TPR) and laser Raman spectroscopy. The hydrodesulphurisation activity of all the catalysts were carried out and results were compared with those of the catalysts prepared through the conventional method. Higher molybdenum dispersion, smaller molybdenum clusters, lower reduction temperature of catalyst and better hydrodesulphurisation activity were observed for the catalysts prepared through the MDD method

Characterization of CNTs and CNTs/MnO2 composite for supercapacitor application

Màster en Nanociència i Nanotecnologia

Photoluminescence studies on RF plasma-polymerized thin films

Conjugated polymers in the form of thin films play an important role in the field of materials science due to their interesting properties. Polymer thin films find extensive applications in the fabrication of devices, such as light emitting devices, rechargeable batteries, super capacitors, and are used as intermetallic dielectrics and EMI shieldings. Polymer thin films prepared by plasma-polymerization are highly cross-linked, pinhole free, and their permittivity lie in the ultra low k-regime. Electronic and photonic applications of plasma-polymerized thin films attracted the attention of various researchers. Modification of polymer thin films by swift heavy ions is well established and ion irradiation of polymers can induce irreversible changes in their structural, electrical, and optical properties. Polyaniline and polyfurfural thin films prepared by RF plasmapolymerization were irradiated with 92MeV silicon ions for various fluences of 1×1011 ions cm−2, 1×1012 ions cm−2, and 1×1013 ions cm−2. FTIR have been recorded on the pristine and silicon ion irradiated polymer thin films for structural evaluation. Photoluminescence (PL) spectra were recorded for RF plasma-polymerized thin film samples before and after irradiation. In this paper the effect of swift heavy ions on the structural and photoluminescence spectra of plasma-polymerized thin films are investigated.

Microwave exfoliated reduced graphene oxide epoxy nanocomposites for high performance applications

Graphene has captured the attention of scientific community due to recently emerging high performance applications. Hence, studying its reinforcing effects on epoxy resin is a significant step. In this study, microwave exfoliated reduced graphene oxide (MERGO) was prepared from natural graphite for subsequent fabrication of epoxy nanocomposites using triethylenetetramine (TETA) as a curing agent via insitu polymerization. Thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), C13 NMR spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and ultravioletevisible (UVevis) spectroscopy were employed to confirm the simultaneous reduction and exfoliation of graphene oxide. The reinforcing effect of MERGO on epoxy resin was explored by investigating its static mechanical properties and dynamic mechanical analysis (DMA) at MERGO loadings of 0 to 0.5 phr. The micro-structure of epoxy/MERGO nanocomposites was investigated using scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) and XRD techniques. The present work reports an enhancement of 32%, 103% and 85% in tensile, impact and flexural strength respectively of epoxy by the addition of even 0.25 phr MERGO. At this loading elastic and flexural moduli also increased by 10% and 65%, respectively. Single-edge-notch three-point-Bending (SEN-TPB) fracture toughness (KIC) measurements were carried out where a 63% increase was observed by the introduction of 0.25 phr MERGO. The interfacial interactions brought about by graphene also benefited the dynamic mechanical properties to a large extent in the form of a significant enhancement in storage modulus and slightly improved glass transition temperature. Considerable improvements were also detected in dielectric properties. The epoxy nanocomposite also attained an ac conductivity of 10 5 S/m and a remarkable increase in dielectric constant. The simple and cost effective way of graphene synthesis for the fabrication of epoxy/MERGO nanocomposites may be extended to the preparation of other MERGO based polymer nanocomposites. This remarkable class of materials has thrown open enormous opportunities for developing conductive adhesives and in microelectronics

The Effect of Periodic Silane Burst on the Properties of GaN on Si (111) Substrates

The periodic silane burst technique was employed during metalorganic chemical vapor deposition of epitaxial GaN on AlN buffer layers grown on Si (111). Periodic silicon delta doping during growth of both the AlN and GaN layers led to growth of GaN films with decreased tensile stresses and decreased threading dislocation densities, as well as films with improved quality as indicated by x-ray diffraction, micro-Raman spectroscopy, atomic force microscopy, and transmission electron microscopy. The possible mechanism of the reduction of tensile stress and the dislocation density is discussed in the paper.