Orientation effects in copper phthalocyanine films studied by electron paramagnetic resonance spectroscopy

The metallo-phthalocyanines (MPcs) are an interesting group of organic semiconductor materials for applications such as large area solar cells due to their optoelectronic properties coupled with the possibility of easily and cheaply fabricating thin films of MPcs [1, 2]. As for organic semiconductors in general, many of the interesting properties of the MPcs such as magnetism, light absorption and charge transport, are highly anisotropic [2, 3]. To maximise the efficiency of a device based on these materials it is therefore important to study their molecular orientation in films and to assess the influence of different growth conditions and substrate treatments.
X-ray diffraction is a well established and powerful technique for studying texture (and hence molecular orientation) in crystalline materials, but it cannot provide any information about amorphous or nanocrystalline films. In electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy the signal comes from the spin of unpaired electrons in the material. This technique therefore does not require the sample to be crystalline. It works for any sample with paramagnetic centres such as the MPcs where the unpaired electrons are contributed by the metal. In this paper we present a continuous-wave X-band EPR study using the anisotropy of the EPR spectrum of CuPc [4] to determine the orientation effects in different types of CuPc films. From these measurements we gain insight into the molecular arrangement of films with different spin concentrations, and apply our technique to the study of molecular orientation in photovoltaic cells.

Orientation effects in copper phthalocyanine films studied by EPR

Organic semiconductors have already found commercial applications in for example displays with organic light-emitting diodes (OLEDs) and great advances are also being made in other areas, such as organic field-effect transistors and organic solar cells. [1] The organic semicondutor group of materials known as metal phthalocyanines (MPc’s) is interesting for applications such as large area solar cells due to their optoelectronic properties coupled with the possibility of easily and cheaply fabricating thin films of MPc’s. [1, 2]

Many of the properties of organic semiconductors, such as magnetism, light absorption and charge transport, show orientational anisotropy. [2, 3] To maximise the efficiency of a device based on these materials it is therefore important to study the molecular orientation in films and to assess the influence of different growth conditions and substrate treatments. X-ray diffraction is a well established and powerful technique for studying texture (and hence molecular orientation)_in crystalline materials, but cannot provide any information about amorphous or nanocrystalline films. In this paper we present a continuous wave X-band EPR study using the anisotropy of the CuPc EPR spectrum [4] to determine the orientation effects in different types of CuPc films. From these measurements we also gain insight into the molecular arrangement of films of CuPc mixed with the isomorphous H2Pc and with C60 in films typical of real solar cell systems.

Evaluation of Corrosion Fatigue Behaviour of Laser-welded NiTi Alloys using Bending Rotation Fatigue Test in Simulated Body Fluid

Shape memory NiTi alloys have been used extensively for medical device applications such as orthopedic, dental, vascular and cardiovascular devices on account of their unique shape memory effect (SME) and super-elasticity (SE). Laser welding is found to be the most suitable method used to fabricate NiTi-based medical components. However, the performance of laser-welded NiTi alloys under corrosive environments is not fully understood and a specific focus on understanding the corrosion fatigue behaviour is not evident in the literature. This study reveals a comparison of corrosion fatigue behaviour of laser-welded and bare NiTi alloys using bending rotation fatigue (BRF) test which was integrated with a specifically designed corrosion cell. The testing environment was Hanks’ solution (simulated body fluid) at 37.5oC. Electrochemical impedance spectroscopic (EIS) measurement was carried out to monitor the change of corrosion resistance at different periods during the BRF test. Experiments indicate that the laser-welded NiTi alloy would be more susceptible to the corrosion fatigue attack than the bare NiTi alloy. This finding can serve as a benchmark for the product designers and engineers to determine the factor of safety of NiTi medical devices fabricated using laser welding.

Potential applications of shape memory alloys in seismic retrofitting of exterior RC beam-column joints

Shape memory alloys (SMAs) have the ability to undergo large deformations with minimum residual strain and also the extraordinary ability to undergo reversible hysteretic shape change known as the shape memory effect. The shape memory effect of these alloys can be utilised to develop a convenient way of actively confine concrete sections to improve their shear strength, flexural ductility and ultimate strain. Most of the previous work on active confinement of concrete using SMA has been carried out on circular sections. In this study retrofitting strategies for active confinement of non-circular sections have been proposed. The proposed schemes presented in this paper are conceived with an aim to seismically retrofit beam-column joints in non-seismically designed reinforced concrete buildings. SMAs are complex materials and their material behaviour depends on number of parameters. Depending upon the alloying elements, SMAs exhibit different behaviour in different conditions and are highly sensitive to variation in temperature, phase in which it is used, loading pattern, strain rate and pre-strain conditions. Therefore, a detailed discussion on the behaviour of SMAs under different thermo-mechanical conditions is presented first.

Drug Polymer Thermodynamic Phase Diagrams in the Selection of Optimal API-Polymer Compositions for Amorphous Solid Dispersions

Purpose The aim of this work was to examine, for amorphous solid dispersions, how the thermal analysis method selected impacts on the construction of thermodynamic phase diagrams, and to assess the predictive value of such phase diagrams in the selection of optimal, physically stable API-polymer compositions. Methods Thermodynamic phase diagrams for two API/polymer systems (naproxen/HPMC AS LF and naproxen/Kollidon 17 PF) were constructed from data collected using two different thermal analysis methods. The “dynamic” method involved heating the physical mixture at a rate of 1 &[deg]C/minute. In the "static" approach, samples were held at a temperature above the polymer Tg for prolonged periods, prior to scanning at 10 &[deg]C/minute. Subsequent to construction of phase diagrams, solid dispersions consisting of API-polymer compositions representative of different zones in the phase diagrams were spray dried and characterised using DSC, pXRD, TGA, FTIR, DVS and SEM. The stability of these systems was investigated under the following conditions: 25 &[deg]C, desiccated; 25 &[deg]C, 60 % RH; 40 &[deg]C, desiccated; 40 &[deg]C, 60 % RH. Results Endset depression occurred with increasing polymer volume fraction (Figure 1a). In conjunction with this data, Flory-Huggins and Gordon-Taylor theory were applied to construct thermodynamic phase diagrams (Figure 1b). The Flory-Huggins interaction parameter (&[chi]) for naproxen and HPMC AS LF was + 0.80 and + 0.72, for the dynamic and static methods respectively. For naproxen and Kollidon 17 PF, the dynamic data resulted in an interaction parameter of - 1.1 and the isothermal data produced a value of - 2.2. For both systems, the API appeared to be less soluble in the polymer when the dynamic approach was used. Stability studies of spray dried solid dispersions could be used as a means of validating the thermodynamic phase diagrams. Conclusion The thermal analysis method used to collate data has a deterministic effect on the phase diagram produced. This effect should be considered when constructing thermodynamic phase diagrams, as they can be a useful tool in predicting the stability of amorphous solid dispersions.

Organic addittives in zinc electrowinning and electrodeposition of Fe-Mo-P alloys as cathodes for chlorate production

Ce projet de travail est divisé en deux études principales: (a) l’influence des certains additifs organiques sur la consommation d’énergie et la pureté du métal de zinc déposé dans le processus d’extraction électrolytique, et (b) l’électrodéposition des alliages binaires et ternaires de Fe-Mo et Fe-Mo-P sur des substrats d’acier doux afin d’agir comme cathodes pour la production de chlorate. (a) Parmi les sept différents additifs organiques examinés, les sels des liquides ioniques ont réussi à augmenter le rendement du courant jusqu’à 95,1% comparé à 88,7% qui a obtenu à partir de l’électrolyte standard en présence des ions de Sb3+. La réduction maximale de la consommation d’énergie de ~173 kWh tonne-1 a été obtenue en ajoutant de 3 mg dm-3 du chlorure de 1-butyl-3-méthylimidazolium dans le même électrolyte. La teneur en plomb dans le dépôt de zinc est réduite de 26,5 ppm à 5,1-5,6 ppm en utilisant les sels des liquides ioniques. (b) Des différents binaires Fe-Mo et ternaires Fe-Mo-P alliages ont été électrodéposés sur des substrats d’acier doux. Les alliages préparés ont une tenure en Mo entre 21-47 at.% et une tenure en P de 0 à 16 at.%. L’activité électrocatalytique de ces alliages vers la réaction de dégagement d’hydrogène (RDH) a été étudiée dans des solutions de chlorure de sodium. La réduction maximale de la surtension de RDH de ~313 mV a été obtenue par l’alliage ternaire préparé Fe54Mo30P16 par rapport à celle obtenue pour l’acier doux. La rugosité de surface et l’activité intrinsèque des revêtements de Fe-Mo-P peuvent être l’origine du comportement prometteur de ces électrocatalyseurs vers la RDH.

L’étude de l’InP et du GaP suite à l’implantation ionique de Mn et à un recuit thermique

Cette thèse est dédiée à l’étude des matériaux InMnP et GaMnP fabriqués par implantation ionique et recuit thermique. Plus précisément nous avons investigué la possibilité de former par implantation ionique des matériaux homogènes (alliages) de InMnP et GaMnP contenant de 1 à 5 % atomiques de Mn qui seraient en état ferromagnétique, pour des possibles applications dans la spintronique. Dans un premier chapitre introductif nous donnons les motivations de cette recherche et faisons une revue de la littérature sur ce sujet. Le deuxième chapitre décrit les principes de l’implantation ionique, qui est la technique utilisée pour la fabrication des échantillons. Les effets de l’énergie, fluence et direction du faisceau ionique sur le profil d’implantation et la formation des dommages seront mis en évidence. Aussi dans ce chapitre nous allons trouver des informations sur les substrats utilisés pour l’implantation. Les techniques expérimentales utilisées pour la caractérisation structurale, chimique et magnétique des échantillons, ainsi que leurs limitations sont présentées dans le troisième chapitre. Quelques principes théoriques du magnétisme nécessaires pour la compréhension des mesures magnétiques se retrouvent dans le chapitre 4. Le cinquième chapitre est dédié à l’étude de la morphologie et des propriétés magnétiques des substrats utilisés pour implantation et le sixième chapitre, à l’étude des échantillons implantés au Mn sans avoir subi un recuit thermique. Notamment nous allons voir dans ce chapitre que l’implantation de Mn à plus que 1016 ions/cm2 amorphise la partie implantée du matériau et le Mn implanté se dispose en profondeur sur un profil gaussien. De point de vue magnétique les atomes implantés se trouvent dans un état paramagnétique entre 5 et 300 K ayant le spin 5/2. Dans le chapitre 7 nous présentons les propriétés des échantillons recuits à basses températures. Nous allons voir que dans ces échantillons la couche implantée est polycristalline et les atomes de Mn sont toujours dans un état paramagnétique. Dans les chapitres 8 et 9, qui sont les plus volumineux, nous présentons les résultats des mesures sur les échantillons recuits à hautes températures : il s’agit d’InP et du GaP implantés au Mn, dans le chapitre 8 et d’InP co-implanté au Mn et au P, dans le chapitre 9. D’abord, dans le chapitre 8 nous allons voir que le recuit à hautes températures mène à une recristallisation épitaxiale du InMnP et du GaMnP; aussi la majorité des atomes de Mn se déplacent vers la surface à cause d’un effet de ségrégation. Dans les régions de la surface, concentrés en Mn, les mesures XRD et TEM identifient la formation de MnP et d’In cristallin. Les mesures magnétiques identifient aussi la présence de MnP ferromagnétique. De plus dans ces mesures on trouve qu’environ 60 % du Mn implanté est en état paramagnétique avec la valeur du spin réduite par rapport à celle trouvée dans les échantillons non-recuits. Dans les échantillons InP co-implantés au Mn et au P la recristallisation est seulement partielle mais l’effet de ségrégation du Mn à la surface est beaucoup réduit. Dans ce cas plus que 50 % du Mn forme des particules MnP et le restant est en état paramagnétique au spin 5/2, dilué dans la matrice de l’InP. Finalement dans le dernier chapitre, 10, nous présentons les conclusions principales auxquels nous sommes arrivés et discutons les résultats et leurs implications.

The Technology of Copper Alloys, Particularly Leaded Bronze, in Greece, its Colonies, and in Etruria during the Iron Age

L’objet de la présente étude est le développement, l’application et la diffusion de la technologie associée à divers types d’alliages de cuivre, en particulier l’alliage du plomb-bronze, en Grèce ancienne, dans ses colonies, ainsi qu’en Étrurie. Le plomb-bronze est un mélange de diverses proportions d’étain, de cuivre et de plomb. Le consensus général chez les archéométallurgistes est que le plomb-bronze n’était pas communément utilisé en Grèce avant la période hellénistique; par conséquent, cet alliage a reçu très peu d’attention dans les documents d’archéologie. Cependant, les analyses métallographiques ont prouvé que les objets composés de plomb ajouté au bronze ont connu une distribution étendue. Ces analyses ont aussi permis de différencier la composition des alliages utilisés dans la fabrication de divers types de bronzes, une preuve tangible que les métallurgistes faisaient la distinction entre les propriétés du bronze d’étain et celles du plomb-bronze. La connaissance de leurs différentes caractéristiques de travail permettait aux travailleurs du bronze de choisir, dans bien des cas, l’alliage approprié pour une utilisation particulière. L’influence des pratiques métallurgiques du Proche-Orient a produit des variations tant dans les formes artistiques que dans les compositions des alliages de bronze grecs durant les périodes géométrique tardive et orientalisante. L’utilisation du plomb-bronze dans des types particuliers d’objets coulés montre une tendance à la hausse à partir de la période orientalisante, culminant dans la période hellénistique tardive, lorsque le bronze à teneur élevée en plomb est devenu un alliage commun. La présente étude analyse les données métallographiques de la catégorie des objets coulés en bronze et en plomb-bronze. Elle démontre que, bien que l’utilisation du plomb-bronze n’était pas aussi commune que celle du bronze d’étain, il s’agissait néanmoins d’un mélange important d’anciennes pratiques métallurgiques. Les ères couvertes sont comprises entre les périodes géométrique et hellénistique.

Optical absorption studies in ion implanted and amorphous semiconductors - Investigations in some tetrahedrally co-ordinated and chalcogenide materials

The thesis provides an overall review and introduction to amorphous semiconductors, followed by a brief discussion on the important structural models proposed for chalcogenide glasses and their electrical, optional and thermal properties. It also gives a brief description of the Physics of thin films, ion implantation and Photothermal Deflection Spectroscopy. A brief description of the experimental setup of a photothermal deflection spectrometer and the details of the preparation and optical characterization of the thin film samples. It deals with the employment of the subgap optional absorption measurement by PDS to characterize the defects, amorphization and annealing behavior in silicon implanted with B+ ions and the profiles of ion range and vacancy distribution obtained by the TRIM simulation. It reports the results of all absorption measurements by PDS in nitrogen implanted thin film samples of Ge-Se and As-Se systems

On the stability of the bcc phase in Cu-Al-Mn shape memory alloys

Measurements of the entropy change at the martensitic transition of two composition-related sets of Cu-Al-Mn shape-memory alloys are reported. It is found that most of the entropy change has a vibrational origin, and depends only on the particular close-packed structure of the low-temperature phase. Using data from the literature for other Cu-based alloys, this result is shown to be general. In addition, it is shown that the martensitic structure changes from 18R to 2H when the ratio of conduction electrons per atom reaches the same value as the eutectoid point in the equilibrium phase diagram. This finding indicates that the structure of the metastable low-temperature phase is reminiscent of the equilibrium structure.