Heusler compounds for thermoelectric applications

The demands for energy is leading to social and political conflicts in the world. For example, the limited resources of fossil fuels causing a dependence on the oil conveying countries in the world, leading to political discords. One way to save energy is to increase the efficiency of a process. In the field of thermoelectricity waste heat is used to produce electricity, this leads to an improvement of the efficiency. Heusler compounds with C1b structure with the general formula XY Z (X, Y = transition metal, Z = main group element) are in focus of the present thermoelectric research. Their mechanical and thermal stability is exceptional in comparison to the commonly used thermoelectric materials. The possibility to substitute small amounts of elements from the parent compound without destructing the lattice structure allows tuning the electronic properties. This tunability also allows to avoid the use of toxic and expensive elements. The reported thermoelectric Heusler compounds exhibit high electrical conductivity and moderate values of the Seebeck coefficients, which lead to a high powerfactor. The disadvantage of Heusler compounds is their high thermal conductivity. Introducing mass disorder on the X-site lattice is one effective way to produce additional phonon scattering and with it to decrease the thermal conductivity. Another approach is to implement a nano or micro structure in the thermoelectric material. This can be achieved by phase separation, composite materials, pulverization with additional spark plasma sintering or by a complex lattice structure. In the first part of this work, the influence of element substitutions on the Zr0.5Hf0.5NiSn system was investigated, to obtain the knowledge on how to optimize the electronic properties of the Heusler compounds with C1b structure. In line with this, the change of the electronic structure was investigated and a possible mechanism is predicted. In the second part of this work, the phenomenon of phase separation was investigated. First, by applying a phase separation in the well-known system Co2MnSn and subsequently by systematic investiga- tions on the TixZryHfzNiSn. In the third part, the results from the previous parts before were used to produce and explain the best reported Heusler compound with C1b structure exhibiting a Figure of Merit of ZT= 1.2 at 830 K.

L'effetto Gibbs

Nella tesi ho trattato l'effetto Gibbs,ovvero la presenza di forti oscillazioni nei polinomi di Fourier di funzioni con discontinuità di prima specie. Infine ho introdotto le somme di Fejér osservando come con questi polinomi trigonometrici si possa eliminare l'effetto Gibbs.

Imaging spin-filter efficiency of W(001) and Ir(001) single crystals

Während der letzten Jahre wurde für Spinfilter-Detektoren ein wesentlicher Schritt in Richtung stark erhöhter Effizienz vollzogen. Das ist eine wichtige Voraussetzung für spinaufgelöste Messungen mit Hilfe von modernen Elektronensp ektrometern und Impulsmikroskopen. In dieser Doktorarbeit wurden bisherige Arbeiten der parallel abbildenden Technik weiterentwickelt, die darauf beruht, dass ein elektronenoptisches Bild unter Ausnutzung der k-parallel Erhaltung in der Niedrigenergie-Elektronenbeugung auch nach einer Reflektion an einer kristallinen Oberfläche erhalten bleibt. Frühere Messungen basierend auf der spekularen Reflexion an einerrnW(001) Oberfläche [Kolbe et al., 2011; Tusche et al., 2011] wurden auf einenrnviel größeren Parameterbereich erweitert und mit Ir(001) wurde ein neues System untersucht, welches eine sehr viel längere Lebensdauer der gereinigten Kristalloberfläche im UHV aufweist. Die Streuenergie- und Einfallswinkel-“Landschaft” der Spinempfindlichkeit S und der Reflektivität I/I0 von gestreuten Elektronen wurde im Bereich von 13.7 - 36.7 eV Streuenergie und 30◦ - 60◦ Streuwinkel gemessen. Die dazu neu aufgebaute Messanordnung umfasst eine spinpolarisierte GaAs Elektronenquellernund einen drehbaren Elektronendetektor (Delayline Detektor) zur ortsauflösenden Detektion der gestreuten Elektronen. Die Ergebnisse zeigen mehrere Regionen mit hoher Asymmetrie und großem Gütefaktor (figure of merit FoM), definiert als S2 · I/I0. Diese Regionen eröffnen einen Weg für eine deutliche Verbesserung der Vielkanal-Spinfiltertechnik für die Elektronenspektroskopie und Impulsmikroskopie. Im praktischen Einsatz erwies sich die Ir(001)-Einkristalloberfläche in Bezug auf längere Lebensdauer im UHV (ca. 1 Messtag), verbunden mit hoher FOM als sehr vielversprechend. Der Ir(001)-Detektor wurde in Verbindung mit einem Halbkugelanalysator bei einem zeitaufgelösten Experiment im Femtosekunden-Bereich am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY eingesetzt. Als gute Arbeitspunkte erwiesen sich 45◦ Streuwinkel und 39 eV Streuenergie, mit einer nutzbaren Energiebreite von 5 eV, sowie 10 eV Streuenergie mit einem schmaleren Profil von < 1 eV aber etwa 10× größerer Gütefunktion. Die Spinasymmetrie erreicht Werte bis 70 %, was den Einfluss von apparativen Asymmetrien deutlich reduziert. Die resultierende Messungen und Energie-Winkel-Landschaft zeigt recht gute Übereinstimmung mit der Theorie (relativistic layer-KKR SPLEED code [Braun et al., 2013; Feder et al.,rn2012])

The dynamics of ultra-thin polymer films in different confinements studied by resonance enhanced dynamic light scattering

Die Kontroverse über den Glasübergang im Nanometerbereich, z. B. die Glas¬über¬gangs-temperatur Tg von dünnen Polymerfilmen, ist nicht vollständig abgeschlossen. Das dynamische Verhalten auf der Nanoskala ist stark von den einschränkenden Bedingungen abhängig, die auf die Probe wirken. Dünne Polymerfilme sind ideale Systeme um die Dynamik von Polymerketten unter der Einwirkung von Randbedingungen zu untersuchen, wie ich sie in dieser Arbeit variiert habe, um Einblick in dieses Problem zu erhalten.rnrnResonanzverstärkte dynamische Lichtstreuung ist eine Methode, frei von z.B. Fluoreszenzmarkern, die genutzt werden kann um in dünnen Polymerfilmen dynamische Phänomene

Evolution und historische Biogeographie von Senecio L. mit Fokus auf die Alte Welt

Senecio L., eine der größten Angiospermengattungen, entstand im mittleren Miozän in trockenen oder Winterregengebieten des südlichen Afrikas. Von dort ausgehend wurden die anderen Kontinente mehrmals unabhängig voneinander besiedelt. Die hohe Artenanzahl, das junge Alter und die was weltweite Verbreitung der Gattung stellt eine Besonderheit dar. Die meisten anderen jungen und schnellen Radiationen sind nicht so weit verbreitet. Es scheint, als wäre die hohe Artenanzahl und die weite Verbreitung das Ergebnis von einer guten Ausbreitungsfähigkeit, einem hohe Samenansatz sowie einer Präferenz für offene und gestörte Standorte.rnDie Paläarktis wurde zweimal unabhängig voneinander kolonisiert, beide Linien kommen in etwa in der gleichen Region vor, unterscheiden sich aber in ihrer Habitatpräferenz und Lebensdauer. Die eine Linie kommt zumeist entlang des Mittelmeeres vor und stammt am wahrscheinlichsten von annuellen Tieflandarten aus den trockenen oder Winterregengebieten des südlichen Afrikas ab. Die andere Linie stammt wahrscheinlich von Drakensbergarten ab und besiedelt auch bevorzugt bergige Regionen in der Paläarktis. Senecio ist außerdem die artenreichste Gattung in den tropisch afroalpinen Regionen Ostafrikas. Die Arten sind während des Pliozäns oder Pleistozäns entstanden und das Ergebnis von mehrfacher Einwanderung aus anderen temperaten Regionen, in situ Artbildung spielte nur eine untergeordnete Bedeutung. rn

Studio e ottimizzazione per un sistema di sovralimentazione di un motore Wankel per alte quote

Tramite GT-POWER è stato simulato il comportamento di un motore Wankel per UAV. Dopo avere realizzato il modello del motore aspirato si sono svolte le prime simulazioni e si è individuato il turbocompressore più adatto. Completato il modello con turbocompressore si sono svolte altre simulazioni individuando la quota di ristabilimento (critical altitude) alle condizioni ISA+0, ISA+25 e ISA-50. Infine si è calcolata la potenza erogata dal motore sovralimentato alla quota di 10000 metri s.l.m.

Energie rinnovabili e tecnologie "low carbon" per la produzione di biocombustibili sostenibili in paesi in via di sviluppo: il caso della Jatropha Curcas. Progetto per l'autonomia energetica di una scuola e di un ambulatorio medico in Tanzania e Madagascar.

Le tematiche che saranno affrontate all’interno del mio elaborato toccano diversi temi sensibili, tutti relativi all’ambiente e alla sua conservazione. Nella prima parte della tesi parlerò di riscaldamento globale, cambiamento climatico ma soprattutto di energie rinnovabili, in particolare l’energia da biomasse. Nella parte centrale la lente di ingrandimento verrà posta sui diversi tipi di energia e sulle relative tecnologie. Mi concentrerò prevalentemente sugli oli vegetali a scopo energetico descrivendo le principali colture e le tecnologie di estrazione. Proseguirò quindi con un excursus sulla Jatropha Curcas descrivendo in dettaglio le caratteristiche di tale coltura in termini di arboricoltura e utilizzi energetici. L’ultima parte dell’elaborato sarà dedicata all’esposizione di due casi applicativi riguardanti la Jatropha Curcas, in particolare il dimensionamento energetico di una scuola e di un ambulatorio medico in Tanzania e Madagascar.

Identificazione di modelli estrinseci di dispositivi elettronici ad effetto di campo in Nitruro di Gallio

In questa tesi descrive un modello per l'estrazione di modelli estrinseci "Parassiti" di dispositivi attivi per l'elettronica delle telecomunicazione. Trovare un modello accurato di un transistore implementabile in un CAD di simulazione. Inoltre ho descritto il comportamento del dispositivo intrinseco.

Characterisation and calibration of optical counters for airborne particulate matter

Gli aerosol, sospensione colloidale in aria di particelle solide o liquide, sono parte integrante dell’atmosfera. Essi interagiscono con la radiazione solare influenzando il clima (effetto primario e secondario) e la visibilità atmosferica. Gli aerosol hanno effetti sulla salute umana con patologie degli apparati cardiovascolare e circolatorio. La presente tesi affronta alcuni aspetti critici dei contatori ottici di particelle (OPC), utilizzati per caratterizzare l’aerosol ambientale. Gli OPC si basano sullo scattering luminoso per fornire la concentrazione in numero e la distribuzione dimensionale degli aerosol in tempo reale. Gli obiettivi di questa tesi sono: 1)caratterizzare e migliorare le prestazioni di un OPC di nuova concezione (CompactOPC N1, Alphasense; in seguito COPC) rispetto a un OPC standard commerciale (Grimm 1.108; in seguito GRM); 2)realizzare un banco di prova per la calibrazione di un OPC utilizzato in camere bianche e ambienti sanitari (Laser Particle Sensor 3715-00, Kanomax; in seguito LPS). Per questa attività ha mostrato interesse un’azienda locale (Pollution Clean Air Systems S.p.A.; Budrio, BO). Le prove sperimentali sono state effettuate con aerosol indoor e con particelle monodisperse di latex polistirene (PSL) di dimensioni differenti campionando in parallelo con i diversi OPC e su filtro per osservazioni al microscopio elettronico a scansione (SEM). In questo modo si è ottenuto un valore assoluto di riferimento per la concentrazione di aerosol. I risultati ottenuti indicano un buon accordo tra le concentrazioni di particelle fornite dal GRM e quelle ottenute al SEM. Il lavoro ha inoltre permesso di migliorare le prestazioni del COPC modificando la versione di base. Inoltre, è stata effettuata la calibrazione del LPS tramite il banco di prova realizzato nella tesi. Il lavoro sperimentale è stato svolto presso il Laboratorio di Aerosol e Fisica delle Nubi dell’Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima (ISAC) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) a Bologna.

Studio di celle fotovoltaiche di terza generazione: celle tandem

Il fotovoltaico (FV) costituisce il modo più diretto di conversione dell’energia solare in energia elettrica e si basa sull’effetto osservato da Becquerel nel 1839. Si può affermare che tale effetto è rimasto una curiosità di laboratorio dalla metà del XIX secolo fino al 1954, quando la prima cella solare in silicio con un’efficienza di conversione del 6% fu costruita ai Laboratori Bell. Da allora la ricerca in questo settore ha sperimentato una crescita costante ed oggi si può contare su tecnologie mature, in grado di sviluppare alte prestazioni in via di ulteriore miglioramento. Le celle tandem costituiscono ora il migliore esempio di dispositivi fotovoltaici in grado di convertire buona parte della potenza irraggiata dal sole. Aumentare l’efficienza con le celle tandem significa sfruttare le differenti lunghezze d’onda dello spettro solare. Questi dispositivi sono infatti costruiti impilando semiconduttori, disponendoli dal basso in modo crescente secondo i loro valori di energia di gap. A partire dall’analisi delle caratteristiche principali della radiazione solare e del principio di funzionamento delle celle fotovoltaiche, questo lavoro si propone di mettere in evidenza le potenzialità della tecnologia a multigiunzione, che ha già dimostrato rilevanti capacità di ottimizzazione delle prestazioni delle celle solari, facendo ben sperare per il futuro.

Fasi geometriche, fase di Berry ed effetto Aharonov-Bohm

Un sistema sottoposto ad una lenta evoluzione ciclica è descritto da un'Hamiltoniana H(X_1(t),...,X_n(t)) dipendente da un insieme di parametri {X_i} che descrivono una curva chiusa nello spazio di appartenenza. Sotto le opportune ipotesi, il teorema adiabatico ci garantisce che il sistema ritornerà nel suo stato di partenza, e l'equazione di Schrödinger prevede che esso acquisirà una fase decomponibile in due termini, dei quali uno è stato trascurato per lungo tempo. Questo lavoro di tesi va ad indagare principalmente questa fase, detta fase di Berry o, più in generale, fase geometrica, che mostra della caratteristiche uniche e ricche di conseguenze da esplorare: essa risulta indipendente dai dettagli della dinamica del sistema, ed è caratterizzata unicamente dal percorso descritto nello spazio dei parametri, da cui l'attributo geometrico. A partire da essa, e dalle sue generalizzazioni, è stata resa possibile l'interpretazione di nuovi e vecchi effetti, come l'effetto Aharonov-Bohm, che pare mettere sotto una nuova luce i potenziali dell'elettromagnetismo, e affidare loro un ruolo più centrale e fisico all'interno della teoria. Il tutto trova una rigorosa formalizzazione all'interno della teoria dei fibrati e delle connessioni su di essi, che verrà esposta, seppur in superficie, nella parte iniziale.

Nuovi copolimeri statistici a base di poli(butilene 2,5-furanoato): effetto della copolimerizzazione sulle proprietà chimico-fisiche, proprietà barriera e compostabilità

In questo lavoro di Tesi Magistrale si sono esaminate le problematiche relative agli impatti ambientali delle materie plastiche, tenendo in considerazione il loro ambito di applicazione. Per quanto riguarda le materie plastiche destinate al packaging alimentare si è visto che uno smaltimento tramite discarica, incenerimento o riciclo non può essere sostenibile sul lungo periodo. Una soluzione può essere lo sviluppo di un materiale che al termine del ciclo di vita possa essere biodegradato tramite compostaggio. Al fine di eliminare la dipendenza di questo materiale plastico dalle risorse fossili, esso deve poter essere ricavato da fonti rinnovabili. Il poli(butilene furanoato) è un buon candidato come materiale plastico per il packaging alimentare, ma possiede scarse caratteristiche di biodegradabilità. Si è quindi realizzato un sistema copolimerico in cui il poli(butilene furanoato) viene statisticamente copolimerizzato con il poli(butilene diglicolato), anche quest'ultimo interamente ottenibile da fonti rinnovabili. I materiali sintetizzati sono stati sottoposti a diversi tipi di analisi, al fine di determinarne le proprietà in funzione di una possibile applicazione nel packaging alimentare: analisi strutturale, caratterizzazione termica, studio delle proprietà meccaniche e di permeabilità a diversi tipi di gas e infine valutazione della compostabilità.

Progettazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

Studio di fattibilità di un sistema di cogenerazione termico ed elettrico stand-alone sfruttando il fenomeno dell'effetto Seebeck. In particolare è stata esaminata la sezione di produzione di potenza elettrica. Nella prima parte è trattata l'analisi della tecnologia riguardante i moduli TEG esplicitandone ogni aspetto caratteristico ed è stato inserito un riepilogo delle maggiori sperimentazioni in questo ambito. Nella seconda parte è affrontata la fase di studio preliminare. Sulla base dei dati di progetto ci si è soffermati sui vincoli dimensionali dei componenti direttamente interessati da scambi termodinamici. Nella terza parte è descritta la struttura del prototipo ed è mostrata una analisi economica preliminare di carattere indicativo. I risultati ottenuti mostrano il campo di applicabilità al quale questa soluzione tecnologica deve riferirsi per risultare conveniente.

Effetto di differenti condizioni di formulazione, conservazione e somministrazione sulle caratteristiche reologiche di creme alimentari

Le proprietà reologiche degli alimenti cremosi a fini medici speciali, come quelli per l’alimentazione dei pazienti disfagici, sono influenzate dalla formulazione e dalle tecnologie di produzione. Gli obiettivi di questa tesi, sono stati i seguenti: - individuazione di metodi e parametri reologici empirico-imitativi per la caratterizzazione di campioni di creme alimentari; - studio dell’effetto di differenti quantità di addensante sulle caratteristiche reologiche di creme alimentari; - studio dell’effetto della conservazione in regime di refrigerazione (4° C) o surgelazione (-18°C) sulle caratteristiche reologiche di differenti creme alimentari. Questo al fine di approfondire la conoscenza di tali aspetti per ottimizzare le modalità di produzione e conservazione di differenti creme alimentari destinate all’alimentazione di pazienti disfagici. Dai risultati ottenuti è emerso come tra i metodi ed i parametri empirico-imitativi considerati, quello che sembra essere risultato più idoneo per la determinazione rapida delle caratteristiche di viscosità dei campioni di creme alimentari analizzati è risultato il parametro coesività valutato con test di back extrusion. Per la natura pseudo-plastica dei campioni analizzati, contrariamente a quanto indicato dal produttore, l’utilizzo del viscosimetro vibrazionale non è risultato essere ottimale, per l’instabilità della misura legata alla modifica più o meno importante della viscosità dei sistemi analizzati causata dall’azione delle onde sonore generate dal probe. La caratterizzazione reologica delle creme con differenti contenuti di addensante ha permesso di creare delle cinetiche legate alla modifica delle caratteristiche reologiche empirico-imitative dei sistemi in funzione della quantità di addensate aggiunto. Correlando tali informazioni con il livello di accettazione dei prodotti da parte del paziente disfagico sarà possibile creare degli standard produttivi reologici per la preparazione di prodotti idonei alla sua alimentazione. Le differenti temperature di conservazione dei prodotti, in regime di refrigerazione o congelamento, sembrano non aver influenzato le caratteristiche reologiche delle creme analizzate.

Ricostruzione delle sorgenti corticali da segnali EEG in task di discriminazione visiva: Effetto di training multisensoriale

I neuroni in alcune regioni del nostro cervello mostrano una risposta a stimoli multisensoriali (ad es. audio-visivi) temporalmente e spazialmente coincidenti maggiore della risposta agli stessi stimoli presi singolarmente (integrazione multisensoriale). Questa abilità può essere sfruttata per compensare deficit unisensoriali, attraverso training multisensoriali che promuovano il rafforzamento sinaptico all’interno di circuiti comprendenti le regioni multisensoriali stimolate. Obiettivo della presente tesi è stato quello di studiare quali strutture e circuiti possono essere stimolate e rinforzate da un training multisensoriale audio-visivo. A tale scopo, sono stati analizzati segnali elettroencefalografici (EEG) registrati durante due diversi task di discriminazione visiva (discriminazione della direzione di movimento e discriminazione di orientazione di una griglia) eseguiti prima e dopo un training audio-visivo con stimoli temporalmente e spazialmente coincidenti, per i soggetti sperimentali, o spazialmente disparati, per i soggetti di controllo. Dai segnali EEG di ogni soggetto è stato ricavato il potenziale evento correlato (ERP) sullo scalpo, di cui si è analizzata la componente N100 (picco in 140÷180 ms post stimolo) verificandone variazioni pre/post training mediante test statistici. Inoltre, è stata ricostruita l’attivazione delle sorgenti corticali in 6239 voxel (suddivisi tra le 84 ROI coincidenti con le Aree di Brodmann) con l’ausilio del software sLORETA. Differenti attivazioni delle ROI pre/post training in 140÷180 ms sono state evidenziate mediante test statistici. I risultati suggeriscono che il training multisensoriale abbia rinforzato i collegamenti sinaptici tra il Collicolo Superiore e il Lobulo Parietale Inferiore (nell’area Area di Brodmann 7), una regione con funzioni visuo-motorie e di attenzione spaziale.