Contrôle de l'organisation moléculaire en 2D et 3D par l’utilisation de liaisons hydrogène, de coordination métallique et d'autres interactions

La stratégie de la tectonique moléculaire a montré durant ces dernières années son utilité dans la construction de nouveaux matériaux. Elle repose sur l’auto-assemblage spontané de molécule dite intelligente appelée tecton. Ces molécules possèdent l’habilité de se reconnaitre entre elles en utilisant diverses interactions intermoléculaires. L'assemblage résultant peut donner lieu à des matériaux moléculaires avec une organisation prévisible. Cette stratégie exige la création de nouveaux tectons, qui sont parfois difficiles à synthétiser et nécessitent dans la plupart des cas de nombreuses étapes de synthèse, ce qui empêche ou limite leur mise en application pratique. De plus, une fois formées, les liaisons unissant le corps central du tecton avec ces groupements de reconnaissance moléculaire ne peuvent plus être rompues, ce qui ne permet pas de remodeler le tecton par une procédure synthétique simple. Afin de contourner ces obstacles, nous proposons d’utiliser une stratégie hybride qui se sert de la coordination métallique pour construire le corps central du tecton, combinée avec l'utilisation des interactions plus faibles pour contrôler l'association. Nous appelons une telle entité métallotecton du fait de la présence du métal. Pour explorer cette stratégie, nous avons construit une série de ligands ditopiques comportant soit une pyridine, une bipyridine ou une phénantroline pour favoriser la coordination métallique, substitués avec des groupements diaminotriazinyles (DAT) pour permettre aux complexes de s'associer par la formation de ponts hydrogène. En plus de la possibilité de créer des métallotectons par coordination, ces ligands ditopiques ont un intérêt intrinsèque en chimie supramoléculaire en tant qu'entités pouvant s'associer en 3D et en 2D. En parallèle à notre étude de la chimie de coordination, nous avons ii examiné l'association des ligands, ainsi que celle des analogues, par la diffraction des rayons-X (XRD) et par la microscopie de balayage à effet tunnel (STM). L'adsorption de ces molécules sur la surface de graphite à l’interface liquide-solide donne lieu à la formation de différents réseaux 2D par un phénomène de nanopatterning. Pour comprendre les détails de l'adsorption moléculaire, nous avons systématiquement comparé l’organisation observée en 2D par STM avec celle favorisée dans les structures 3D déterminées par XRD. Nous avons également simulé l'adsorption par des calculs théoriques. Cette approche intégrée est indispensable pour bien caractériser l’organisation moléculaire en 2D et pour bien comprendre l'origine des préférences observées. Ces études des ligands eux-mêmes pourront donc servir de référence lorsque nous étudierons l'association des métallotectons dérivés des ligands par coordination. Notre travail a démontré que la stratégie combinant la chimie de coordination et la reconnaissance moléculaire est une méthode de construction rapide et efficace pour créer des réseaux supramoléculaires. Nous avons vérifié que la stratégie de la tectonique moléculaire est également efficace pour diriger l'organisation en 3D et en 2D, qui montre souvent une homologie importante. Nous avons trouvé que nos ligands hétérocycliques ont une aptitude inattendue à s’adsorber fortement sur la surface de graphite, créant ainsi des réseaux organisés à l'échelle du nanomètre. L’ensemble de ces résultats promet d’offrir des applications dans plusieurs domaines, dont la catalyse hétérogène et la nanotechnologie. Mots clés : tectonique moléculaire, interactions intermoléculaires, stratégie hybride, coordination métallique, diffraction des rayons-X, microscopie de balayage à effet tunnel, graphite, phénomène de nanopatterning, calculs théoriques, ponts hydrogène, chimie supramoléculaire, ligands hétérocycliques, groupements DAT, catalyse hétérogène, nanotechnologie.

Molecular tectonics : supramolecular 2D nanopatterning of surfaces by self-assembly

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

Étude de l’association supramoléculaire bi- et tridimensionnelle d’oximes et d’hydrazones trigonales

Les concepts de la chimie supramoléculaire peuvent être exploités avantageusement pour contrôler la structure et les propriétés des matériaux moléculaires. Dans une approche productive, les composantes moléculaires du matériau peuvent être choisies pour pouvoir s'engager dans des interactions fortes et prévisibles avec leurs voisins. Cette stratégie, appelée la tectonique moléculaire, est caractérisée par la préparation de molécules particulières appelées tectons (du grec tectos, qui signifie constructeur) qui, par design rationnel, s’associent de manière prévisible via de multiples interactions non-covalentes afin de générer l’architecture désirée. Ce processus est réversible et guidé par la présence de fonctions chimiques complémentaires, appelées groupements de reconnaissance, qui sont orientées de manière à conférer un aspect directionnel aux interactions intermoléculaires. Ceci permet de positionner les molécules voisines de façon prédéterminée. Les contraintes imposées par les interactions s’opposent souvent à la tendance naturelle des molécules à former une structure compacte et permettent donc à d'autres molécules invitées d’occuper un volume appréciable dans le matériau, sans toutefois contribuer directement à l'architecture principale. Appliquée à la cristallisation, cette approche peut générer des cristaux poreux, analogues aux zéolites. Les ponts hydrogène offrent une interaction non-covalente de choix dans cette stratégie car ils sont forts et directionnels. L’exploration d’une multitude de fonctions chimiques connues pour pouvoir participer à la formation de ponts hydrogène a permis de créer une grande diversité de nouveaux matériaux lors de l’évolution du domaine du génie cristallin. Une molécule classique, qui illustre bien la stratégie tectonique et qui a eu un fort impact dans le domaine de la chimie supramoléculaire, est l’acide 1,3,5-benzènetricarboxylique, communément appelé acide trimésique. L’acide trimésique donne une orientation trigonale à trois groupements carboxyles, favorisant ainsi la formation d'un réseau hexagonal retenu par ponts hydrogène. Nous avons visé une modification dans laquelle les groupements -COOH de l'acide trimésique sont remplacés par deux autres groupements de reconnaissance, jusqu’ici peu exploités en chimie supramoléculaire, l’oxime et l’hydrazone. Nous rapportons la synthèse et la cristallisation de différentes trioximes et trihydrazones analogues à l'acide trimésique. Les cristaux obtenus ont été analysés par diffraction des rayons-X et leurs structures ont été déterminées. L’auto-assemblage de différentes trioximes et trihydrazones en 2D par adsorption sur graphite a également été étudié en utilisant la microscopie à balayage à effet tunnel. Nos résultats nous permettent de comparer l'organisation en 2D et en 3D de différents analogues de l'acide trimésique.

Organisation moléculaire dirigée par le groupe CONH2 en 2D et 3D

Notre étude a pour objet la conception, la synthèse ainsi que l’étude structurale d’architectures supramoléculaires obtenues par auto-assemblage, en se basant sur les concepts de la tectonique moléculaire. Cette branche de la chimie supramoléculaire s’occupe de la conception et la synthèse de molécules organiques appelées tectons, du grec tectos qui signifie constructeur. Le tecton est souvent constitué de sites de reconnaissance branchés sur un squelette bien choisi. Les sites de reconnaissance orientés par la géométrie du squelette peuvent participer dans des interactions intermoléculaires qui sont suffisamment fortes et directionnelles pour guider la topologie du cristal résultant. La stratégie envisagée utilise des processus d'auto-assemblage engageant des interactions réversibles entre les tectons. L’auto-assemblage dirigé par de fortes interactions intermoléculaires directionnelles est largement utilisé pour fabriquer des matériaux dont les composants doivent être positionnés en trois dimensions (3D) d'une manière prévisible. Cette stratégie peut également être utilisée pour contrôler l’association moléculaire en deux dimensions (2D), ce qui permet la construction de monocouches organisées et prédéterminées sur différents types des surfaces, tels que le graphite.Notre travail a mis l’accent sur le comportement de la fonction amide comme fonction de reconnaissance qui est un analogue du groupement carboxyle déjà utilisé dans plusieurs études précédentes. Nous avons étudié le comportement d’une série de composés contenant un noyau plat conçu pour faciliter l'adsorption sur le graphite et modifiés par l'ajout de groupes amide pour favoriser la formation de liaisons hydrogène entre les molécules ainsi adsorbées. La capacité de ces composés à former de monocouches organisées à l’échelle moléculaire en 2D a été examinée par microscopie à effet tunnel, etleur organisation en 3D a également été étudiée par cristallographie aux rayons X. Dans notre étude, nous avons systématiquement modifié la géométrie moléculaire et d'autres paramètres afin d'examiner leurs effets sur l'organisation moléculaire. Nos résultats suggèrent que les analyses structurales combinées en 2D et 3D constituent un important atout dans l'effort pour comprendre les interactions entre les molécules adsorbées et l’effet de l’interaction avec la surface du substrat.

Étude de l’effet d'agents potentiellement perturbateurs de la structure des biofilms sur la diffusion des macromolécules dans les biofilms de Streptococcus mutans : cas de l’EDTA et de l’aspirine

Le but de ce travail de mémoire était d'explorer des moyens pour augmenter la perméabilité des biofilms de Streptococcus mutans aux macromolécules en utilisant des agents potentiellement perturbateurs de la structure des biofilms. L’acide éthylènediamine tétraacétique (EDTA) ainsi que l’acide acétylsalicylique (aspirine) sont les agents perturbateurs choisis. Le changement de perméabilité des biofilms de S. mutans a été déterminé en mesurant les coefficients de diffusion globale du polyéthylène glycol (PEG) et de diffusion locale de dextrans. Les coefficients de diffusion globale ont été mesurés par spectroscopie infrarouge avec un échantillonnage par réflexion totale atténuée (ATR) alors que la spectroscopie par corrélation de fluorescence (SCF) a été utilisée pour la mesure des coefficients de diffusion locale. Les résultats ont démontré que l’incorporation de l’EDTA à une concentration de 7.5 (m/v) % dans la solution de diffusion permet d’améliorer les propriétés de transport du PEG dans les biofilms en augmentant sa pénétrabilité et son coefficient de diffusion globale. Par contre, aucune variation n’a été constatée dans la valeur du coefficient de diffusion locale de dextran fluorescent. Cette différence peut être expliquée, entre autres, par l'échelle des mesures et la nature différente des molécules diffusantes. L’aspirine n’a démontré aucun effet sur le transport du PEG à travers les biofilms de S. mutans. La pénétration accrue du PEG en présence de l’EDTA a été corrélée aux tests de viabilité des cellules bactériennes. En effet, la combinaison de la pénicilline G (PenG) avec l’EDTA 2 (m/v) % a eu comme effet l’augmentation du pouvoir biocide d’un facteur 3. De plus, les images de microscopie à épifluorescence et de microscopie confocale à balayage de laser ont démontré que les bactéries dans le cœur des microcolonies sont plus affectées par la PenG lorsque le milieu contient de l'EDTA. A la lumière des résultats obtenus, il s’avère que l’incorporation d'agents perturbateurs de la structure des biofilms est une option sérieuse à considérer dans l’éradication des biofilms microbiens. Plus d’études devront être effectuées afin d’investiguer l’effet d’autres molécules possédant les propriétés perturbatrices de la structure des biofilms sur la résistance de ces derniers aux agents antimicrobiens.

Electrospinning and characterization of supramolecular poly(4-vinyl pyridine)-small molecule complexes

La chimie supramoléculaire est basée sur l'assemblage non covalent de blocs simples, des petites molécules aux polymères, pour synthétiser des matériaux fonctionnels ou complexes. La poly(4-vinylpyridine) (P4VP) est l'une des composantes supramoléculaires les plus utilisées en raison de sa chaîne latérale composée d’une pyridine pouvant interagir avec de nombreuses espèces, telles que les petites molécules monofonctionnelles et bifonctionnelles, grâce à divers types d'interactions. Dans cette thèse, des assemblages supramoléculaires de P4VP interagissant par liaisons hydrogène avec de petites molécules sont étudiés, en ayant comme objectifs de faciliter l'électrofilage de polymères et de mieux comprendre et d'optimiser la photoréponse des matériaux contenant des dérivés d'azobenzène. Une nouvelle approche est proposée afin d'élargir l'applicabilité de l'électrofilage, une technique courante pour produire des nanofibres. À cet effet, un complexe entre la P4VP et un agent de réticulation bifonctionnel capable de former deux liaisons hydrogène, le 4,4'-biphénol (BiOH), a été préparé pour faciliter le processus d’électrofilage des solutions de P4VP. Pour mieux comprendre ce complexe, une nouvelle méthode de spectroscopie infrarouge (IR) a d'abord été développée pour quantifier l'étendue de la complexation. Elle permet de déterminer un paramètre clé, le rapport du coefficient d'absorption d'une paire de bandes attribuées aux groupements pyridines libres et liées par liaisons hydrogène, en utilisant la 4-éthylpyridine comme composé modèle à l’état liquide. Cette méthode a été appliquée à de nombreux complexes de P4VP impliquant des liaisons hydrogène et devrait être généralement applicable à d'autres complexes polymères. La microscopie électronique à balayage (SEM) a révélé l'effet significatif du BiOH sur la facilité du processus d’électrofilage de P4VP de masses molaires élevées et faibles. La concentration minimale pour former des fibres présentant des perles diminue dans le N, N'-diméthylformamide (DMF) et diminue encore plus lorsque le nitrométhane, un mauvais solvant pour la P4VP et un non-solvant pour le BiOH, est ajouté pour diminuer l'effet de rupture des liaisons hydrogène causé par le DMF. Les liaisons hydrogène dans les solutions et les fibres de P4VP-BiOH ont été quantifiées par spectroscopie IR et les résultats de rhéologie ont démontré la capacité de points de réticulation effectifs, analogues aux enchevêtrements physiques, à augmenter la viscoélasticité de solutions de P4VP pour mieux résister à la formation de gouttelettes. Cette réticulation effective fonctionne en raison d'interactions entre le BiOH bifonctionnel et deux chaînes de P4VP, et entre les groupements hydroxyles du BiOH complexé de manière monofonctionnelle. Des études sur d’autres agents de réticulation de faible masse molaire ont montré que la plus forte réticulation effective est introduite par des groupes d’acide carboxylique et des ions de zinc (II) qui facilitent le processus d’électrofilage par rapport aux groupements hydroxyles du BiOH. De plus, la sublimation est efficace pour éliminer le BiOH contenu dans les fibres sans affecter leur morphologie, fournissant ainsi une méthode élégante pour préparer des fibres de polymères purs dont le processus d’électrofilage est habituellement difficile. Deux complexes entre la P4VP et des azobenzènes photoactifs portant le même groupement tête hydroxyle et différents groupes queue, soit cyano (ACN) ou hydrogène (AH), ont été étudiés par spectroscopie infrarouge d’absorbance structurale par modulation de la polarisation (PM-IRSAS) pour évaluer l'impact des groupements queue sur leur performance lors de l'irradiation avec de la lumière polarisée linéairement. Nous avons constaté que ACN mène à la photo-orientation des chaînes latérales de la P4VP et des azobenzènes, tandis que AH mène seulement à une orientation plus faible des chromophores. La photo-orientation des azobenzènes diminue pour les complexes avec une teneur croissante en chromophore, mais l'orientation de la P4VP augmente. D'autre part, l'orientation résiduelle après la relaxation thermique augmente avec la teneur en ACN, à la fois pour le ACN et la P4VP, mais la tendance opposée est constatée pour AH. Ces différences suggèrent que le moment dipolaire a un impact sur la diffusion rotationnelle des chromophores. Ces résultats contribueront à orienter la conception de matériaux polymères contenant des azobenzène efficaces.

Metabolomics analysis in rats with thiamine deficiency identifies key metabolites in vulnerable brain regions and suggests neural stem progenitor cells play a role in ameliorating metabolic dysfunction

La documentation scientifique fait état de la présence, chez l’adulte, de cellules souches et progénitrices neurales (CSPN) endogènes dans les zones sous-ventriculaire et sous-granulaire du cerveau ainsi que dans le gyrus denté de l’hippocampe. De plus, un postulat selon lequel il serait également possible de retrouver ce type de cellules dans la moelle épinière et le néocortex des mammifères adultes a été énoncé. L’encéphalopathie de Wernicke, un trouble neurologique grave toutefois réversible qui entraîne un dysfonctionnement, voire une défaillance du cerveau, est causée principalement par une carence importante en thiamine (CT). Des observations récentes laissent envisager que les facteurs en cause dans la prolifération et la différenciation des CSPN pourraient également jouer un rôle important lors d’un épisode de CT. L’hypothèse, selon laquelle l’identification de nouveaux métabolites entrant dans le mécanisme ou la séquence de réactions se soldant en une CT pourraient en faciliter la compréhension, a été émise au moyen d'une démarche en cours permettant d’établir le profil des modifications métaboliques qui surviennent en de telles situations. Cette approche a été utilisée pour constater les changements métaboliques survenus au niveau du foyer cérébral dans un modèle de rats déficients en thiamine (rats DT), particulièrement au niveau du thalamus et du colliculus inférieur (CI). La greffe de CSPN a quant à elle été envisagée afin d’apporter de nouvelles informations sur la participation des CSPN lors d’un épisode de CT et de déterminer les bénéfices thérapeutiques potentiels offerts par cette intervention. Les sujets de l’étude étaient répartis en quatre groupes expérimentaux : un premier groupe constitué de rats dont la CT était induite par la pyrithiamine (rats DTiP), un deuxième groupe constitué de rats-contrôles nourris ensemble (« pair-fed control rats » ou rats PFC) ainsi que deux groupes de rats ayant subi une greffe de CSPN, soit un groupe de rats DTiP greffés et un dernier groupe constitué de rats-contrôles (rats PFC) greffés. Les échantillons de foyers cérébraux (thalamus et CI) des quatre groupes de rats ont été prélevés et soumis à des analyses métabolomiques non ciblées ainsi qu’à une analyse visuelle par microscopie à balayage électronique (SEM). Une variété de métabolites-clés a été observée chez les groupes de rats déficients en thiamine (rats DTiP) en plus de plusieurs métabolites dont la documentation ne faisait pas mention. On a notamment constaté la présence d’acides biliaires, d’acide cynurénique et d’acide 1,9— diméthylurique dans le thalamus, alors que la présence de taurine et de carnosine a été observée dans le colliculus inférieur. L’étude a de plus démontré une possible implication des CSPN endogènes dans les foyers cérébraux du thalamus et du colliculus inférieur en identifiant les métabolites-clés ciblant les CSPN. Enfin, les analyses par SEM ont montré une amélioration notable des tissus à la suite de la greffe de CSPN. Ces constatations suggèrent que l’utilisation de CSPN pourrait s’avérer une avenue thérapeutique intéressante pour soulager la dégénérescence symptomatique liée à une grave carence en thiamine chez l’humain.

Growth and Characterisation of Radio Frequency Magnetron Sputttered Indium Tin Oxide Thin Films

The increasing interest in the interaction of light with electricity and electronically active materials made the materials and techniques for producing semitransparent electrically conducting films particularly attractive. Transparent conductors have found major applications in a number of electronic and optoelectronic devices including resistors, transparent heating elements, antistatic and electromagnetic shield coatings, transparent electrode for solar cells, antireflection coatings, heat reflecting mirrors in glass windows and many other. Tin doped indium oxide (indium tin oxide or ITO) is one of the most commonly used transparent conducting oxides. At present and likely well into the future this material offers best available performance in terms of conductivity and transmittivity combined with excellent environmental stability, reproducibility and good surface morphology. Although partial transparency, with a reduction in conductivity, can be obtained for very thin metallic films, high transparency and simultaneously high conductivity cannot be attained in intrinsic stoichiometric materials. The only way this can be achieved is by creating electron degeneracy in a wide bandgap (Eg > 3eV or more for visible radiation) material by controllably introducing non-stoichiometry and/or appropriate dopants. These conditions can be conveniently met for ITO as well as a number of other materials like Zinc oxide, Cadmium oxide etc. ITO shows interesting and technologically important combination of properties viz high luminous transmittance, high IR reflectance, good electrical conductivity, excellent substrate adherence and chemical inertness. ITO is a key part of solar cells, window coatings, energy efficient buildings, and flat panel displays. In solar cells, ITO can be the transparent, conducting top layer that lets light into the cell to shine the junction and lets electricity flow out. Improving the ITO layer can help improve the solar cell efficiency. A transparent ii conducting oxide is a material with high transparency in a derived part of the spectrum and high electrical conductivity. Beyond these key properties of transparent conducting oxides (TCOs), ITO has a number of other key characteristics. The structure of ITO can be amorphous, crystalline, or mixed, depending on the deposition temperature and atmosphere. The electro-optical properties are a function of the crystallinity of the material. In general, ITO deposited at room temperature is amorphous, and ITO deposited at higher temperatures is crystalline. Depositing at high temperatures is more expensive than at room temperature, and this method may not be compatible with the underlying devices. The main objective of this thesis work is to optimise the growth conditions of Indium tin oxide thin films at low processing temperatures. The films are prepared by radio frequency magnetron sputtering under various deposition conditions. The films are also deposited on to flexible substrates by employing bias sputtering technique. The films thus grown were characterised using different tools. A powder x-ray diffractometer was used to analyse the crystalline nature of the films. The energy dispersive x-ray analysis (EDX) and scanning electron microscopy (SEM) were used for evaluating the composition and morphology of the films. Optical properties were investigated using the UVVIS- NIR spectrophotometer by recording the transmission/absorption spectra. The electrical properties were studied using vander Pauw four probe technique. The plasma generated during the sputtering of the ITO target was analysed using Langmuir probe and optical emission spectral studies.

Automation of Chemical Spray Pyrolysis Unit and Fabrication of Sprayed CuInS2/In2S3 Solar Cell

Aim of the present work was to automate CSP process, to deposit and characterize CuInS2/In2S3 layers using this system and to fabricate devices using these films.An automated spray system for the deposition of compound semiconductor thin films was designed and developed so as to eliminate the manual labour involved in spraying and facilitate standardization of the method. The system was designed such that parameters like spray rate, movement of spray head, duration of spray, temperature of substrate, pressure of carrier gas and height of the spray head from the substrate could be varied. Using this system, binary, ternary as well as quaternary films could be successfully deposited.The second part of the work deal with deposition and characterization of CuInS2 and In2S3 layers respectively.In the case of CuInS2 absorbers, the effects of different preparation conditions and post deposition treatments on the optoelectronic, morphological and structural properties were investigated. It was observed that preparation conditions and post deposition treatments played crucial role in controlling the properties of the films. The studies in this direction were useful in understanding how the variation in spray parameters tailored the properties of the absorber layer. These results were subsequently made use of in device fabrication process.Effects of copper incorporation in In2S3 films were investigated to find how the diffusion of Cu from CuInS2 to In2S3 will affect the properties at the junction. It was noticed that there was a regular variation in the opto-electronic properties with increase in copper concentration.Devices were fabricated on ITO coated glass using CuInS2 as absorber and In2S3 as buffer layer with silver as the top electrode. Stable devices could be deposited over an area of 0.25 cm2, even though the efficiency obtained was not high. Using manual spray system, we could achieve devices of area 0.01 cm2 only. Thus automation helped in obtaining repeatable results over larger areas than those obtained while using the manual unit. Silver diffusion on the cells before coating the electrodes resulted in better collection of carriers.From this work it was seen CuInS2/In2S3 junction deposited through automated spray process has potential to achieve high efficiencies.

MgO/Ag(001) interface structure and STM images from first principles

The interface of MgO/Ag(001) has been studied with density functional theory applied to slabs. We have found that regular MgO films show a small adhesion to the silver substrate, the binding can be increased in off-stoichiometric regimes, either by the presence of O vacancies at the oxide film or by a small excess of O atoms at the interface between the ceramic to the metal. By means of theoretical methods, the scanning tunneling microscopy signatures of these films is also analyzed in some detail. For defect free deposits containing 1 or 2 ML and at low voltages, tunnelling takes place from the surface Ag substrate, and at large positive voltages Mg atoms are imaged. If defects, oxygen vacancies, are present on the surface of the oxide they introduce much easier channels for tunnelling resulting in big protrusions and controlling the shape of the image, the extra O stored at the interface can also be detected for very thin films.

Fabrication of a quantum well heterostructure based on plasma polymerized aniline and its characterization using STM/STS

Two-dimensional electronic systems play a crucial role in modern electronics and offer a multitude of opportunities to study the fundamental phenomena at low dimensional physics. A quantum well heterostructure based on polyaniline (P) and iodine doped polyaniline (I) thin films were fabricated using radio frequency plasma polymerization on indium tin oxide coated glass plate. Scanning probe microscopy and scanning electron microscopy studies were employed to study the morphology and roughness of the polymer thin films. Local electronic density of states (LDOS) of the P–I–P heterostructures is probed using scanning tunnelling spectroscopy (STS). A step like LDOS is observed in the P–I–P heterostructure and is attributed to the quantum well confinement of electrons in the polymer heterostructure.

Synthesis, Characterization and Applications of Modified TiO2 Systems

This thesis is divided in to 9 chapters and deals with the modification of TiO2 for various applications include photocatalysis, thermal reaction, photovoltaics and non-linear optics. Chapter 1 involves a brief introduction of the topic of study. An introduction to the applications of modified titania systems in various fields are discussed concisely. Scope and objectives of the present work are also discussed in this chapter. Chapter 2 explains the strategy adopted for the synthesis of metal, nonmetal co-doped TiO2 systems. Hydrothermal technique was employed for the preparation of the co-doped TiO2 system, where Ti[OCH(CH3)2]4, urea and metal nitrates were used as the sources for TiO2, N and metals respectively. In all the co-doped systems, urea to Ti[OCH(CH3)2]4 was taken in a 1:1 molar ratio and varied the concentration of metals. Five different co-doped catalytic systems and for each catalysts, three versions were prepared by varying the concentration of metals. A brief explanation of physico-chemical techniques used for the characterization of the material was also presented in this chapter. This includes X-ray Diffraction (XRD), Raman Spectroscopy, FTIR analysis, Thermo Gravimetric Analysis, Energy Dispersive X-ray Analysis (EDX), Scanning Electron Microscopy(SEM), UV-Visible Diffuse Reflectance Spectroscopy (UV-Vis DRS), Transmission Electron Microscopy (TEM), BET Surface Area Measurements and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). Chapter 3 contains the results and discussion of characterization techniques used for analyzing the prepared systems. Characterization is an inevitable part of materials research. Determination of physico-chemical properties of the prepared materials using suitable characterization techniques is very crucial to find its exact field of application. It is clear from the XRD pattern that photocatalytically active anatase phase dominates in the calcined samples with peaks at 2θ values around 25.4°, 38°, 48.1°, 55.2° and 62.7° corresponding to (101), (004), (200), (211) and (204) crystal planes (JCPDS 21-1272) respectively. But in the case of Pr-N-Ti sample, a new peak was observed at 2θ = 30.8° corresponding to the (121) plane of the polymorph brookite. There are no visible peaks corresponding to dopants, which may be due to their low concentration or it is an indication of the better dispersion of impurities in the TiO2. Crystallite size of the sample was calculated from Scherrer equation byusing full width at half maximum (FWHM) of the (101) peak of the anatase phase. Crystallite size of all the co-doped TiO2 was found to be lower than that of bare TiO2 which indicates that the doping of metal ions having higher ionic radius into the lattice of TiO2 causes some lattice distortion which suppress the growth of TiO2 nanoparticles. The structural identity of the prepared system obtained from XRD pattern is further confirmed by Raman spectra measurements. Anatase has six Raman active modes. Band gap of the co-doped system was calculated using Kubelka-Munk equation and that was found to be lower than pure TiO2. Stability of the prepared systems was understood from thermo gravimetric analysis. FT-IR was performed to understand the functional groups as well as to study the surface changes occurred during modification. EDX was used to determine the impurities present in the system. The EDX spectra of all the co-doped samples show signals directly related to the dopants. Spectra of all the co-doped systems contain O and Ti as the main components with low concentrations of doped elements. Morphologies of the prepared systems were obtained from SEM and TEM analysis. Average particle size of the systems was drawn from histogram data. Electronic structures of the samples were identified perfectly from XPS measurements. Chapter 4 describes the photocatalytic degradation of herbicides Atrazine and Metolachlor using metal, non-metal co-doped titania systems. The percentage of degradation was analyzed by HPLC technique. Parameters such as effect of different catalysts, effect of time, effect of catalysts amount and reusability studies were discussed. Chapter 5 deals with the photo-oxidation of some anthracene derivatives by co-doped catalytic systems. These anthracene derivatives come underthe category of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). Due to the presence of stable benzene rings, most of the PAH show strong inhibition towards biological degradation and the common methods employed for their removal. According to environmental protection agency, most of the PAH are highly toxic in nature. TiO2 photochemistry has been extensively investigated as a method for the catalytic conversion of such organic compounds, highlighting the potential of thereof in the green chemistry. There are actually two methods for the removal of pollutants from the ecosystem. Complete mineralization is the one way to remove pollutants. Conversion of toxic compounds to another compound having toxicity less than the initial starting compound is the second way. Here in this chapter, we are concentrating on the second aspect. The catalysts used were Gd(1wt%)-N-Ti, Pd(1wt%)-N-Ti and Ag(1wt%)-N-Ti. Here we were very successfully converted all the PAH to anthraquinone, a compound having diverse applications in industrial as well as medical fields. Substitution of 10th position of desired PAH by phenyl ring reduces the feasibility of photo reaction and produced 9-hydroxy 9-phenyl anthrone (9H9PA) as an intermediate species. The products were separated and purified by column chromatography using 70:30 hexane/DCM mixtures as the mobile phase and the resultant products were characterized thoroughly by 1H NMR, IR spectroscopy and GCMS analysis. Chapter 6 elucidates the heterogeneous Suzuki coupling reaction by Cu/Pd bimetallic supported on TiO2. Sol-Gel followed by impregnation method was adopted for the synthesis of Cu/Pd-TiO2. The prepared system was characterized by XRD, TG-DTG, SEM, EDX, BET Surface area and XPS. The product was separated and purified by column chromatography using hexane as the mobile phase. Maximum isolated yield of biphenyl of around72% was obtained in DMF using Cu(2wt%)-Pd(4wt%)-Ti as the catalyst. In this reaction, effective solvent, base and catalyst were found to be DMF, K2CO3 and Cu(2wt%)-Pd(4wt%)-Ti respectively. Chapter 7 gives an idea about the photovoltaic (PV) applications of TiO2 based thin films. Due to energy crisis, the whole world is looking for a new sustainable energy source. Harnessing solar energy is one of the most promising ways to tackle this issue. The present dominant photovoltaic (PV) technologies are based on inorganic materials. But the high material, low power conversion efficiency and manufacturing cost limits its popularization. A lot of research has been conducted towards the development of low-cost PV technologies, of which organic photovoltaic (OPV) devices are one of the promising. Here two TiO2 thin films having different thickness were prepared by spin coating technique. The prepared films were characterized by XRD, AFM and conductivity measurements. The thickness of the films was measured by Stylus Profiler. This chapter mainly concentrated on the fabrication of an inverted hetero junction solar cell using conducting polymer MEH-PPV as photo active layer. Here TiO2 was used as the electron transport layer. Thin films of MEH-PPV were also prepared using spin coating technique. Two fullerene derivatives such as PCBM and ICBA were introduced into the device in order to improve the power conversion efficiency. Effective charge transfer between the conducting polymer and ICBA were understood from fluorescence quenching studies. The fabricated Inverted hetero junction exhibited maximum power conversion efficiency of 0.22% with ICBA as the acceptor molecule. Chapter 8 narrates the third order order nonlinear optical properties of bare and noble metal modified TiO2 thin films. Thin films were fabricatedby spray pyrolysis technique. Sol-Gel derived Ti[OCH(CH3)2]4 in CH3CH2OH/CH3COOH was used as the precursor for TiO2. The precursors used for Au, Ag and Pd were the aqueous solutions of HAuCl4, AgNO3 and Pd(NO3)2 respectively. The prepared films were characterized by XRD, SEM and EDX. The nonlinear optical properties of the prepared materials were investigated by Z-Scan technique comprising of Nd-YAG laser (532 nm,7 ns and10 Hz). The non-linear coefficients were obtained by fitting the experimental Z-Scan plot with the theoretical plots. Nonlinear absorption is a phenomenon defined as a nonlinear change (increase or decrease) in absorption with increasing of intensity. This can be mainly divided into two types: saturable absorption (SA) and reverse saturable absorption (RSA). Depending on the pump intensity and on the absorption cross- section at the excitation wavelength, most molecules show non- linear absorption. With increasing intensity, if the excited states show saturation owing to their long lifetimes, the transmission will show SA characteristics. Here absorption decreases with increase of intensity. If, however, the excited state has strong absorption compared with that of the ground state, the transmission will show RSA characteristics. Here in our work most of the materials show SA behavior and some materials exhibited RSA behavior. Both these properties purely depend on the nature of the materials and alignment of energy states within them. Both these SA and RSA have got immense applications in electronic devices. The important results obtained from various studies are presented in chapter 9.

Solvent-Assisted Formation of Vesicles by a Self-Assembling Ni-3-Schiff Base Complex

A linear trinuclear Ni-Schiff base complex [Ni-3(salpen)(2)(PhCH2COO)(2)(EtOH)] has been synthesized by combining Ni(ClO4)(2)center dot 6H(2)O, phenyl acetic acid (C6H5CH2COOH), and the Schiff base ligand, N,N'-bis(salicylidene)-1,3-pentanediamine (H(2)salpen). This complex is self-assembled through hydrogen bonding and C-H-g interaction in the solid state to generate a sheet-like architecture, while in organic solvent (CH2Cl2), it forms vesicles with a mean diameter of 290 nm and fused vesicles, depending upon the concentration of the solution. These vesicles act as an excellent carrier of dye molecules in CH2Cl2. The morphology of the complex has been determined by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy experiments, and the encapsulation of dye has been examined by confocal microscopic image and electronic absorption spectra.

Optimization of electroless copper plating on polyethylene films modified by surface grafting of vinyl ether of monoethanolamine

Metallized plastics have recently received significant interest for their useful applications in electronic devices such as for integrated circuits, packaging, printed circuits and sensor applications. In this work the metallized films were developed by electroless copper plating of polyethylene films grafted with vinyl ether of monoethanoleamine. There are several techniques for metal deposition on surface of polymers such as evaporation, sputtering, electroless plating and electrolysis. In this work the metallized films were developed by electroless copper plating of polyethylene films grafted with vinyl ether of monoethanoleamine. Polyethylene films were subjected to gamma-radiation induced surface graft copolymerization with vinyl ether of monoethanolamine. Electroless copper plating was carried out effectively on the modified films. The catalytic processes for the electroless copper plating in the presence and the absence of SnCl2 sensitization were studied and the optimum activation conditions that give the highest plating rate were determined. The effect of grafting degree on the plating rate is studied. Electroless plating conditions (bath additives, pH and temperature) were optimized. Plating rate was determined gravimetrically and spectrophotometrically at different grafting degrees. The results reveal that plating rate is a function of degree of grafting and increases with increasing grafted vinyl ether of monoethanolamine onto polyethylene. It was found that pH 13 of electroless bath and plating temperature 40°C are the optimal conditions for the plating process. The increasing of grafting degree results in faster plating rate at the same pH and temperature. The surface morphology of the metallized films was investigated using scanning electron microscopy (SEM). The adhesion strength between the metallized layer and grafted polymer was studied using tensile machine. SEM photos and adhesion measurements clarified that uniform and adhered deposits were obtained under optimum conditions.

Epitaxial growth of ultrathin palladium films on Re{0001}

Ultrathin bimetallic layers create unusual magnetic and surface chemical effects through the modification of electronic structure brought on by low dimensionality, polymorphism, reduced screening, and epitaxial strain. Previous studies have related valence and core-level shifts to surface reactivity through the d-band model of Hammer and Nørskov, and in heteroepitaxial films this band position is determined by competing effects of coordination, strain, and hybridization of substrate and overlayer states. In this study we employ the epitaxially matched Pd on Re{0001} system to grow films with no lateral strain. We use a recent advancement in low-energy electron diffraction to expand the data range sufficiently for a reliable determination of the growth sequence and out-of-plane surface relaxation as a function of film thickness. The results are supported by scanning tunneling microscopy and X-ray photoemission spectroscopy, which show that the growth is layer-by-layer with significant core-level shifts due to changes in film structure, morphology, and bonding.