A simple and low-cost method for the preparation of self-supported TiO2-WO3 ceramic heterojunction wafers

Robust, bilayer heterojunction photodiodes of TiO₂-WO₃ were prepared successfully by a simple, low-cost powder pressing technique followed by heat-treatment. Exclusive photoirradiation of the TiO₂ side of the photodiode resulted in a rapid colour change (dark blue) on the WO₃ surface as a result of reduction of W⁶⁺ to W⁵⁺ (confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy). This colour was long lived and shown to be stable in a dry environment in air for several hours. A similar photoirradiation experiment in the presence of a mask showed that charge transfer across the heterojunction occurred approximately normal to the TiO₂ surface, with little smearing out of the mask image. As a result of the highly efficient vectorial charge separation, the photodiodes showed a tremendous increase in photocatalytic activity for the degradation of stearic acid, compared to wafers of the respective individual materials when tested separately.

Light harvesting in solar cells using natural pigments from red fruits adsorbed to mesoporous TiO2

Nature has developed strategies to present us with a wide variety of colours, from the green of leaves to the bright colours seen in flowers. Anthocyanins are between these natural pigments that are responsible for the great diversity of colours seen in flowers and fruits. Anthocyanins have been used to sensitize titanium dioxide (TiO2) in Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs). DSSCs have become one of the most popular research topic in photovoltaic cells due to their low production costs when compared to other alternatives. DSSCs are inspired in what happens in nature during photosynthesis. A primary charge separation is achieved by means of a photoexcited dye capable of performing the electron injection into the conduction band of a wide band-gap semiconductor, usually TiO2. With this work we aimed to synthesize a novel mesoporous TiO2 structure as the semiconductor in order to increase the dye loading. We used natural occurring dyes such as anthocyanins and their synthetic flavylium relatives, as an alternative to the widely used metal complexes of Ru(II) which are expensive and are environmentally unsafe. This offers not only the chance to use safer dyes for DSSCs, but also to take profit of waste biological products, such as wine and olive oil production residues that are heavily loaded with anthocyanin dyes. We also performed a photodegradation study using TiO2 as the catalyst to degrade dye contaminants, such as those from the wine production waste, by photo-irradiation of the system in the visible region of the light spectrum. We were able to succeed in the synthesis of mesoporous TiO2 both powder and thin film, with a high capacity to load a large amount of dye. We proved the concept of photodegradation using TiO2 as catalyst. And finally, we show that wine production waste is a possible dye source to DSSCs application.

Comparative study of bovine heart and bacillus subtilis cytochrome c oxidase vesicles and the influence of bulk pH on cytochrome c oxidase components

Studies on the steady state behavior of soluble cytochrome c oxidase are extensive. These studies have examined the influence of ionic strength and pH and may provide answers to questions such as the link between proton translocation and charge separation. The present study examined the influence of external bulk pH on ApH formation, biphasic kinetics, and steady state reduction of cytochromes c and a of cytochrome c oxidase in proteoliposomes. Bulk pH has an appreciable effect on ApH formation and steady state reduction levels of cytochromes c and 8. Bulk pH affected total Vmax and Km at the low affinity binding site of cytochrome c. This study also examined the influence of bovine serum albumin and free fatty acids on proton pumping activity in bovine heart proteoliposomes. Proton pumping activity decreased after treatment with BSA, and was subsequently reinstated after further treatment with FFA. Much study in the superfamily of haem/copper oxidases has recently been devoted to the bacterial oxidases. The present study has examined some protein composition characteristics and bioenergetic features of Bacillus subtilis cytochrome caa3 oxidase. Results provide evidence for the structural composition of the enzyme in relation to the covalently bound cytochrome c to the oxidas~. Bioenergetically, caa3 COV showed appreciable proton pumping activity. Steady state analysis of the caa3 COV showed significantly different cytochrome c and a reduction characteristics compared to the bovine enzyme.

Dynamique de recombinaison dans les puits quantiques InGaN/GaN

Nous étudions la recombinaison radiative des porteurs de charges photogénérés dans les puits quantiques InGaN/GaN étroits (2 nm). Nous caractérisons le comportement de la photoluminescence face aux différentes conditions expérimentales telles la température, l'énergie et la puissance de l'excitation et la tension électrique appliquée. Ces mesures montrent que l'émission provient d'états localisés. De plus, les champs électriques, présents nativement dans ces matériaux, n'ont pas une influence dominante sur la recombinaison des porteurs. Nous avons montré que le spectre d'émission se modifie significativement et subitement lorsque la puissance de l'excitation passe sous un certain seuil. L'émission possède donc deux ``phases'' dont nous avons déterminé le diagramme. La phase adoptée dépend à la fois de la puissance, de la température et de la tension électrique appliquée. Nous proposons que la phase à basse puissance soit associée à un état électriquement chargé dans le matériau. Ensuite, nous avons caractérisé la dynamique temporelle de notre échantillon. Le taux de répétition de l'excitation a une influence importante sur la dynamique mesurée. Nous concluons qu'elle ne suit pas une exponentielle étirée comme on le pensait précédemment. Elle est exponentielle à court temps et suit une loi de puissance à grand temps. Ces deux régimes sont lié à un seul et même mécanisme de recombinaison. Nous avons développé un modèle de recombinaison à trois niveaux afin d'expliquer le comportement temporel de la luminescence. Ce modèle suppose l'existence de centres de localisation où les porteurs peuvent se piéger, indépendamment ou non. L'électron peut donc se trouver sur un même centre que le trou ou sur n'importe quel autre centre. En supposant le transfert des porteurs entre centres par saut tunnel on détermine, en fonction de la distribution spatiale des centres, la dynamique de recombinaison. Ce modèle indique que la recombinaison dans les puits InGaN/GaN minces est liée à des agglomérats de centre de localisation.

Analytical strategies for the comprehensive profiling of histone post translational modifications by mass spectrometry and implications for functional analyses

Le long bio-polymère d'ADN est condensé à l’intérieur du noyau des cellules eukaryotes à l'aide de petites protéines appelées histones. En plus de leurs fonctions condensatrices,ces histones sont également la cible de nombreuses modifications post-traductionnelles(MPT), particulièrement au niveau de leur section N-terminale. Ces modifications réversibles font partie d’un code d’histones épi-génétique transmissible qui orchestre et module dynamiquement certains événements impliquant la chromatine, tels l’activation et la désactivation de gènes ainsi que la duplication et la réparation d’ADN. Ces modifications sont impliquées subséquemment dans la signalisation et la progression de cancers, tels que la leucémie. En conséquence, l'élucidation des modifications d’histones est importante pour comprendre leurs fonctions biologiques. Une méthodologie analytique a été mise au point en laboratoire pour isoler, détecter, et quantifier les MPT d’histones en utilisant une approche rapide à deux volets à l’aide d’outils bioinformatiques spécialisés. La méthodologie développée en laboratoire a été validée en utilisant des histones de souche sauvage ainsi que deux types d’histones mutants déficients en enzymes acétyltransferase. Des trois sources d’histones utilisées, la seule MPT qui a démontré un changement significatif est l’acétylation de l’histone H3 à lysine 56 (H3K56ac). L’expression et la stoechiométrie de cette MPT, issue de cellules de souche sauvage et de cellules mutantes, ont été déterminées avec précision et comparées. Les fonctions de balayage polyvalentes d'un instrument à trappe ionique quadrupôle linéaire hybride ont été utilisées pour améliorer la détection de protéines intactes. Le mode de balayage « enhanced multiply charged » (EMC) a été modifié pour contenir et détecter les ions de protéines intactes situées dans la trappe ionique linéaire. Ce mode de balayage nommé « targeted EMC » (tEMC) a permis de quadrupler le niveau de sensibilité (signal/interférence), et quintupler la résolution du mode de balayage conventionnel. De plus, la capacité de séparation des charges du tEMC a réduit de façon significative les effets de « space charge » dans la trappe ionique linéaire. La résolution supérieure du mode tEMC a permis de différencier plusieurs isoformes modifiées, particulièrement pour l’histone H3. L’analyse des peptides d’histones trypsiques à l’aide du mode de balayage « MRM » a permis le séquençage et la quantification de MPT avec un haut degré de précision. La seule MPT qui était sous-exprimée entre l’histone de souche sauvage et le mutant DOT1L fut la méthylation de l’histone H3 lysine 79(H3K79me1). Les effets de deux inhibiteurs d’enzymes HDAC (HDACi) sur l’expression de MPT d’histone ont été évalués en utilisant la méthodologie analytique mentionnée. Les histones extraites de cellules normales et cancéreuses ont été exposées à du Vorinostat(SAHA) ou du Entinostat (MS-275) pour une période de 24 à 72 heures. Deux histones furent principalement affectées, soit H3 et H4. Étonnamment, les mêmes effets n'ont pas été détectés lorsque les cellules normales ont été traitées avec le HDACi pour une période de 48 à 72 heures. Une méthode absolue de quantification avec une courbe d’étalonnage a été développée pour le peptide H3K56ac. Contrairement à certaines publications, nos résultats démontrent que cette MPT est présente dans les cellules mammifères avec une stoechiométrie très basse (< 0,1%) et n'est pas surexprimée de façon significative après le traitement au HDACi.

Mise en place de l'expérience d'absorption transitoire femtoseconde et son application sur des dérivés du pérylène diimide

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Dynamique de recombinaison radiative dans les nanofils InGaN/GaN : étude détaillée de la photoluminescence

Mesures effectuées dans le laboratoire de caractérisation optique des semi-conducteurs du Prof. Richard Leonelli du département de physique de l'université de Montréal. Les nanofils d'InGaN/GaN ont été fournis par le groupe du Prof. Zetian Mi du département de génie électrique et informatique de l'université McGill.

Effet de la microstructure sur les propriétés excitoniques des polymères semi-conducteurs semi-cristallins

Les polymères semi-conducteurs semicristallins sont utilisés au sein de diodes électroluminescentes, transistors ou dispositifs photovoltaïques organiques. Ces matériaux peuvent être traités à partir de solutions ou directement à partir de leur état solide et forment des agrégats moléculaires dont la morphologie dicte en grande partie leurs propriétés optoélectroniques. Le poly(3-hexylthiophène) est un des polymères semi-conducteurs les plus étudiés. Lorsque le poids moléculaire (Mw) des chaînes est inférieur à 50 kg/mol, la microstructure est polycristalline et composée de chaînes formant des empilements-π. Lorsque Mw>50 kg/mol, la morphologie est semicristalline et composée de domaines cristallins imbriquées dans une matrice de chaînes amorphes. À partir de techniques de spectroscopie en continu et ultrarapide et appuyé de modèles théoriques, nous démontrons que la cohérence spatiale des excitons dans ce matériau est légèrement anisotrope et dépend de Mw. Ceci nous permet d’approfondir la compréhension de la relation intime entre le couplage inter et intramoléculaire sur la forme spectrale en absorption et photoluminescence. De plus, nous démontrons que les excitations photogénérées directement aux interfaces entre les domaines cristallins et les régions amorphes génèrent des paires de polarons liés qui se recombinent par effet tunnel sur des échelles de temps supérieures à 10ns. Le taux de photoluminescence à long temps de vie provenant de ces paires de charges dépend aussi de Mw et varie entre ∼10% et ∼40% pour les faibles et hauts poids moléculaires respectivement. Nous fournissons un modèle permettant d’expliquer le processus de photogénération des paires de polarons et nous élucidons le rôle de la microstructure sur la dynamique de séparation et recombinaison de ces espèces.

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.

Vers des assemblages de complexes métalliques oligonucléaires, servant d’antenne solaire au niveau moléculaire

Les fichiers additionnels sont les données cristallographiques en format CIF. Voir le site de la Cambridge Crystallographic Data Centre pour un visualiseur: http://www.ccdc.cam.ac.uk

Signature optique d’effet Stark dans une bicouche de CuPc:C60

Les hétérojonctions formées de deux matériaux, un donneur et un accepteur (D/A), sont la base de la majorité des mélanges photovoltaïques organiques. Les mécanismes de séparation des charges dans ces systèmes représentent aujourd'hui l'un des sujets les plus chauds et les plus débattus dans ce domaine. Nous entrons au coeur de ce débat en choisissant un système D/A à base de phtalocyanine de cuivre (CuPc) et de fullerène (C60). Pour sonder les états excités de nos molécules et obtenir de l'information sur les phénomènes à l'interface D/A, nous réalisons une expérience pompe-sonde, appelée absorption photoinduite (PIA). Nous y mesurons le changement fractionnaire de transmission au travers de l'échantillon. Les mesures de PIA sont réalisées à l'état de quasi équilibre, à T=10K. Nous observons une modulation prononcée dans la région du photoblanchiment de l'état fondamental qui nous indique que la pompe induit un décalage du spectre d'absorption de l'état fondamental. Ce décalage peut être expliqué par deux processus : soit l'échantillon est chauffé par la pompe (effet thermique) ou bien des charges sont créées à l'interface entre les deux matériaux (effet Stark). La dépendance en température du spectre d'absorption entre 10K et 290K montre une signature thermique pour un changement de température de 80K. Grâce au ratio des raies Raman anti-Stokes et Stokes, nous démontrons que la pompe chauffe l'échantillon de 34 K, température insuffisante pour attribuer notre signal à un effet thermique. Nous évaporons ensuite la bicouche CuPc/C60 sur de l'ITO et du saphir, substrats qui possèdent des conductivités thermiques différentes et nous observons le même signal de PIA, excluant par le fait même l'hypothèse de l'effet thermique. Puisque notre étude est comparable à la spectroscopie à effet Stark, nous procédons à une analyse similaire en comparant notre signal de PIA au spectre de la transmittance et à ses dérivés première et seconde. Nous observons alors que notre signal reproduit presque parfaitement la dérivée seconde de la transmittance. Ces résultats sont conformes à une signature optique d'effet Stark due à la création de charges à l'interface D/A.

Spectral functions of half-filled one-dimensional Hubbard rings with varying boundary conditions

We study the effect of varying the boundary condition on: the spectral function of a finite one-dimensional Hubbard chain, which we compute using direct (Lanczos) diagonalization of the Hamiltonian. By direct comparison with the two-body response functions and with the exact solution of the Bethe ansatz equations, we can identify both spinon and holon features in the spectra. At half-filling the spectra have the well-known structure of a low-energy holon band and its shadow-which spans the whole Brillouin zone-and a spinon band present for momenta less than the Fermi momentum. Features related to the twisted boundary condition are cusps in the spinon band. We show that the spectral building principle, adapted to account for both the finite system size and the twisted boundary condition, describes the spectra well in terms of single spinon and holon excitations. We argue that these finite-size effects are a signature of spin-charge separation and that their study should help establish the existence and nature of spin-charge separation in finite-size systems.

Excited states of nitro-polypyridine metal complexes and their ultrafast decay. Time-resolved IR absorption, spectroelectrochemistry, and TD-DFT calculations of fac-[Re(Cl)(CO)3(5-Nitro-1,10-phenanthroline)]

The lowest absorption band of fac-[Re(Cl)(CO)(3)(5-NO2-phen)] encompasses two close-lying MLCT transitions. The lower one is directed to LUMO, which is heavily localized on the NO2 group. The UV-vis absorption spectrum is well accounted for by TD-DFT (G03/PBEPBE1/CPCM), provided that the solvent, MeCN, is included in the calculations. Near-UV excitation of fac-[Re(Cl)(CO)(3)(5-NO2-phen)] populates a triplet metal to ligand charge-transfer excited state, (MLCT)-M-3, that was characterized by picosecond time-resolved IR spectroscopy. Large positive shifts of the v(CO) bands upon excitation (+70 cm(-1) for the A'(1) band) signify a very large charge separation between the Re(Cl)(CO)3 unit and the 5-NO2-phen ligand. Details of the excited-state character are revealed by TD-DFT calculated changes of electron density distribution. Experimental excited-state v(CO) wavenumbers agree well with those calculated by DFT. The (MLCT)-M-3 state decays with a ca. 10 ps lifetime (in MeCN) into another transient species, that was identified by TRIR and TD-DFT calculations as an intraligand (3)n pi* excited state, whereby the electron density is excited from the NO2 oxygen lone pairs to the pi* system of 5-NO2-phen. This state is short-lived, decaying to the ground state with a similar to 30 ps lifetime. The presence of an n pi* state seems to be the main factor responsible for the lack of emission and the very short lifetimes of 3 MLCT states seen in all d(6)-metal complexes of nitro-polypyridyl ligands. Localization of the excited electron density in the lowest (MLCT)-M-3 states parallels localization of the extra electron in the reduced state that is characterized by a very small negative shift of the v(CO) IR bands (-6 cm(-1) for A'(1)) but a large downward shift of the v(s)(NO2) IR band. The Re-Cl bond is unusually stable toward reduction, whereas the Cl ligand is readily substituted upon oxidation.

Direct probing of photoinduced electron transfer in a self- assembled biomimetic [2Fe2S]-hydrogenase complex using ultrafast vibrational spectroscopy

A pyridyl-functionalized diiron dithiolate complex, [μ-(4-pyCH2−NMI-S2)Fe2(CO)6] (3, py = pyridine(ligand), NMI = naphthalene monoimide) was synthesized and fully characterized. In the presence of zinc tetraphenylporphyrin (ZnTPP), a self-assembled 3·ZnTPP complex was readily formed in CH2Cl2 by the coordination of the pyridyl nitrogen to the porphyrin zinc center. Ultrafast photoinduced electron transfer from excited ZnTPP to complex 3 in the supramolecular assembly was observed in real time by monitoring the ν(CO) and ν(CO)NMI spectral changes with femtosecond time-resolved infrared (TRIR) spectroscopy. We have confirmed that photoinduced charge separation produced the monoreduced species by comparing the time-resolved IR spectra with the conventional IR spectra of 3•− generated by reversible electrochemical reduction. The lifetimes for the charge separation and charge recombination processes were found to be τCS = 40 ± 3 ps and τCR = 205 ± 14 ps, respectively. The charge recombination is much slower than that in an analogous covalent complex, demonstrating the potential of a supramolecular approach to extend the lifetime of the chargeseparated state in photocatalytic complexes. The observed vibrational frequency shifts provide a very sensitive probe of the delocalization of the electron-spin density over the different parts of the Fe2S2 complex. The TR and spectro-electrochemical IR spectra, electron paramagnetic resonance spectra, and density functional theory calculations all show that the spin density in 3•− is delocalized over the diiron core and the NMI bridge. This delocalization explains why the complex exhibits low catalytic dihydrogen production even though it features a very efficient photoinduced electron transfer. The ultrafast porphyrin-to-NMIS2−Fe2(CO)6 photoinduced electron transfer is the first reported example of a supramolecular Fe2S2-hydrogenase model studied by femtosecond TRIR spectroscopy. Our results show that TRIR spectroscopy is a powerful tool to investigate photoinduced electron transfer in potential dihydrogen-producing catalytic complexes, and that way to optimize their performance by rational approaches.

Applications of electrified dust and dust devil electrodynamics to Martian atmospheric electricity

Atmospheric transport and suspension of dust frequently brings electrification, which may be substantial. Electric fields of 10 kVm-1 to 100 kVm-1 have been observed at the surface beneath suspended dust in the terrestrial atmosphere, and some electrification has been observed to persist in dust at levels to 5 km, as well as in volcanic plumes. The interaction between individual particles which causes the electrification is incompletely understood, and multiple processes are thought to be acting. A variation in particle charge with particle size, and the effect of gravitational separation explains to, some extent, the charge structures observed in terrestrial dust storms. More extensive flow-based modelling demonstrates that bulk electric fields in excess of 10 kV m-1 can be obtained rapidly (in less than 10 s) from rotating dust systems (dust devils) and that terrestrial breakdown fields can be obtained. Modelled profiles of electrical conductivity in the Martian atmosphere suggest the possibility of dust electrification, and dust devils have been suggested as a mechanism of charge separation able to maintain current flow between one region of the atmosphere and another, through a global circuit. Fundamental new understanding of Martian atmospheric electricity will result from the ExoMars mission, which carries the DREAMS (Dust characterization, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface)-MicroARES (Atmospheric Radiation and Electricity Sensor) instrumentation to Mars in 2016 for the first in situ measurements.