Band Engineering in Thermoelectric Materials Using Optical, Electronic, and Ab-Initio Computed Properties

Thermoelectric materials have demanded a significant amount of attention for their ability to convert waste heat directly to electricity with no moving parts. A resurgence in thermoelectrics research has led to significant enhancements in the thermoelectric figure of merit, zT, even for materials that were already well studied. This thesis approaches thermoelectric zT optimization by developing a detailed understanding of the electronic structure using a combination of electronic/thermoelectric properties, optical properties, and ab-initio computed electronic band structures. This is accomplished by applying these techniques to three important classes of thermoelectric materials: IV-VI materials (the lead chalcogenides), Half-Heusler’s (XNiSn where X=Zr, Ti, Hf), and CoSb₃ skutterudites.

In the IV-VI materials (PbTe, PbSe, PbS) I present a shifting temperature-dependent optical absorption edge which correlates well to the computed ab-initio molecular dynamics result. Contrary to prior literature that suggests convergence of the primary and secondary bands at 400 K, I suggest a higher convergence temperature of 700, 900, and 1000 K for PbTe, PbSe, and PbS, respectively. This finding can help guide electronic properties modelling by providing a concrete value for the band gap and valence band offset as a function of temperature.

Another important thermoelectric material, ZrNiSn (half-Heusler), is analyzed for both its optical and electronic properties; transport properties indicate a largely different band gap depending on whether the material is doped n-type or p-type. By measuring and reporting the optical band gap value of 0.13 eV, I resolve the discrepancy in the gap calculated from electronic properties (maximum Seebeck and resistivity) by correlating these estimates to the electron-to-hole weighted mobility ratio, A, in narrow gap materials (A is found to be approximately 5.0 in ZrNiSn).

I also show that CoSb₃ contains multiple conduction bands that contribute to the thermoelectric properties. These bands are also observed to shift towards each other with temperature, eventually reaching effective convergence for T>500 K. This implies that the electronic structure in CoSb₃ is critically important (and possibly engineerable) with regards to its high thermoelectric figure of merit.

Fabrication, Characterization, And Deformation of 3D Structural Meta-Materials

Current technological advances in fabrication methods have provided pathways to creating architected structural meta-materials similar to those found in natural organisms that are structurally robust and lightweight, such as diatoms. Structural meta-materials are materials with mechanical properties that are determined by material properties at various length scales, which range from the material microstructure (nm) to the macro-scale architecture (μm – mm). It is now possible to exploit material size effect, which emerge at the nanometer length scale, as well as structural effects to tune the material properties and failure mechanisms of small-scale cellular solids, such as nanolattices. This work demonstrates the fabrication and mechanical properties of 3-dimensional hollow nanolattices in both tension and compression. Hollow gold nanolattices loaded in uniaxial compression demonstrate that strength and stiffness vary as a function of geometry and tube wall thickness. Structural effects were explored by increasing the unit cell angle from 30° to 60° while keeping all other parameters constant; material size effects were probed by varying the tube wall thickness, t, from 200nm to 635nm, at a constant relative density and grain size. In-situ uniaxial compression experiments reveal an order-of-magnitude increase in yield stress and modulus in nanolattices with greater lattice angles, and a 150% increase in the yield strength without a concomitant change in modulus in thicker-walled nanolattices for fixed lattice angles. These results imply that independent control of structural and material size effects enables tunability of mechanical properties of 3-dimensional architected meta-materials and highlight the importance of material, geometric, and microstructural effects in small-scale mechanics. This work also explores the flaw tolerance of 3D hollow-tube alumina kagome nanolattices with and without pre-fabricated notches, both in experiment and simulation. Experiments demonstrate that the hollow kagome nanolattices in uniaxial tension always fail at the same load when the ratio of notch length (a) to sample width (w) is no greater than 1/3, with no correlation between failure occurring at or away from the notch. For notches with (a/w) > 1/3, the samples fail at lower peak loads and this is attributed to the increased compliance as fewer unit cells span the un-notched region. Finite element simulations of the kagome tension samples show that the failure is governed by tensile loading for (a/w) < 1/3 but as (a/w) increases, bending begins to play a significant role in the failure. This work explores the flaw sensitivity of hollow alumina kagome nanolattices in tension, using experiments and simulations, and demonstrates that the discrete-continuum duality of architected structural meta-materials gives rise to their flaw insensitivity even when made entirely of intrinsically brittle materials.

Imidazolium-Based Organic Structure Directing Agents for the Synthesis of Microporous Materials

The central theme of this thesis is the use of imidazolium-based organic structure directing agents (OSDAs) in microporous materials synthesis. Imidazoliums are advantageous OSDAs as they are relatively inexpensive and simple to prepare, show robust stability under microporous material synthesis conditions, have led to a wide range of products, and have many permutations in structure that can be explored. The work I present involves the use of mono-, di-, and triquaternary imidazolium-based OSDAs in a wide variety of microporous material syntheses. Much of this work was motivated by successful computational predictions (Chapter 2) that led me to continue to explore these types of OSDAs. Some of the important discoveries with these OSDAs include the following: 1) Experimental evaluation and confirmation of a computational method that predicted a new OSDA for pure-silica STW, a desired framework containing helical pores that was previously very difficult to synthesize. 2) Discovery of a number of new imidazolium OSDAs to synthesize zeolite RTH, a zeolite desired for both the methanol-to-olefins reaction as well as NOX reduction in exhaust gases. This discovery enables the use of RTH for many additional investigations as the previous OSDA used to make this framework was difficult to synthesize, such that no large scale preparations would be practical. 3) The synthesis of pure-silica RTH by topotactic condensation from a layered precursor (denoted CIT-10), that can also be pillared to make a new framework material with an expanded pore system, denoted CIT-11, that can be calcined to form a new microporous material, denoted CIT-12. CIT-10 is also interesting since it is the first layered material to contain 8 membered rings through the layers, making it potentially useful in separations if delamination methods can be developed. 4) The synthesis of a new microporous material, denoted CIT-7 (framework code CSV) that contains a 2-dimensional system of 8 and 10 membered rings with a large cage at channel intersections. This material is especially important since it can be synthesized as a pure-silica framework under low-water, fluoride-mediated synthesis conditions, and as an aluminosilicate material under hydroxide mediated conditions. 5) The synthesis of high-silica heulandite (HEU) by topotactic condensation as well as direct synthesis, demonstrating new, more hydrothermally stable compositions of a previously known framework. 6) The synthesis of germanosilicate and aluminophosphate LTA using a triquaternary OSDA. All of these materials show the diverse range of products that can be formed from OSDAs that can be prepared by straightforward syntheses and have made many of these materials accessible for the first time under facile zeolite synthesis conditions.

Avaliação da microinfiltração marginal em cavidades classe II de molares decíduos restauradas com diferentes cimentos de ionômero de vidro

O objetivo desta pesquisa foi avaliar a microinfiltração em restaurações classe II realizadas com diferentes cimentos de ionômero de vidros em molares decíduos. Para tal, foram selecionados quarenta molares decíduos humanos a partir de um Banco de Dentes. Nas faces mesial e distal de cada dente foram preparadas cavidades classe II com dimensões padronizadas. Em seguida, os dentes foram divididos em oito grupos experimentais correspondentes ao material restaurador utilizado: grupo MXR (Maxxion R); grupo VDR (Vidrion R); grupo VTR (Vitremer); grupo VTF (Vitro Fill LC); grupo FUJ (Fuji IX); grupo KTM (Ketac Molar); grupo VMO (Vitro Molar); grupo MGS (Magic Glass ART). Ao término de vinte e quatro horas de imersão em água destilada, os dentes foram mantidos em solução de nitrato de prata a 50% pelo mesmo período e, então, em solução reveladora de radiografias (hidroquinona, Kodak) por quinze minutos. Os dentes foram então seccionados através do centro das restaurações, e observados em lupa estereoscópica sob o aumento de quarenta vezes. A microinfiltração foi graduada co base em escores relacionados à penetração do nitrato de prata na interface adesiva. Os resultados, após submetidos à análise estatística, demonstraram que nenhum dos materiais testados impediu completamente a microinfiltração. No entanto, o Vitremer apresentou os escores mais baixos, seguido do Ketac Molar e do Fuji IX. Os materiais Magic Glass ART, Vitro Molar, Vitro Fill LC e Vidrion R apresentaram comportamento intermediário em relação aos demais, enquanto o Maxxion R apresentou os piores resultados. Com base na metodologia empregada e nos resultados obtidos, pode-se concluir que nenhum dos materiais testados foi capaz de impedir completamente a microinfiltração, apesar de apresentarem graus varáveis de suscetibilidade a esse fenômeno, destacando-se, entre eles o Vitremer, o Ketac Molar e o Fuji IX por apresentarem baixos níveis de microinfiltração, seguidos do Magic Glass ART, Vitro Molar, Vitro Fill LC e Vidrion R. Em contrapartida, o Maxxion R apresentou os piores resultados, fato constatado pelos altos escores de microinfiltração registrados.

Avaliação da influência do material de confecção das matrizes no teste de conversão monomérica por espectrometria no infravermelho de um compósito

Este estudo teve por objetivo avaliar, in vitro, a influência do material de confecção das matrizes, traçando um perfil da conversão monomérica de um compósito micro-híbrido, além de avaliar qual dos materiais testados mais se assemelha a uma matriz de dentina. A avaliação foi feita através da análise do grau de conversão (GC). Foram confeccionadas 3 matrizes bipartidas, sendo estas de teflon negro, tefon branco e aço inoxidável, ambas com 10mm de diâmetro e 2 mm de profundidade. Para o grupo controle foi utilizado um incisivo central bovino, o qual teve sua face vestibular aplainada em uma lixadeira sob refrigeração constante, com o auxílio de uma lixa de carbeto de silício, número 800. Após, este dente foi preparado com uma broca diamantada número 2294 (KG Sorensen) em alta rotação, própria para a preparação de cavidades padronizadas para ensaios de laboratório, apresentando um limitador de penetração. Em seguida, com um motor de baixa rotação foi realizado o acabamento das paredes, obtendo-se uma cavidade de 2,0 mm de profundidade por 9,0 mm de diâmetro. Pela palatina desse dente, com uma broca carbide cilíndrica de numeração 2056 (KG Sorensen), fez-se uma penetração até se obter uma parede de dentina extremamente fina, porém sem que esta fosse rompida. Assim, com uma agulha, fez-se uma pequena perfuração no centro dessa dentina para que este instrumental servisse como um pino para remoção do corpo de prova de dentro da matriz de dente. Os corpos de prova (CP) foram obtidos a partir da inserção do compósito no interior da perfuração das matrizes em um único incremento e cobertos na superfície externa com uma matriz de poliéster mais uma lamínula de vidro. Os CP foram fotopolimerizados por 40 s pela fonte de luz halógena Optilux 501 (Demetron), com 500 mW/cm. Imediatamente após a polimerização, os corpos de prova eram submetidos no topo e na base para a análise de espectrometria no infravermelho para a determinação da profundidade de polimerização, pela técnica do filme vazado para o compósito não polimerizado e pela técnica da pastilha de brometo de potássio (KBr) para o compósito polimerizado. Foram confeccionados 5 CP de cada grupo. Em cada grupo, o compósito da base e do topo das amostras foi moído até se obter de 1,5 a 2,0 mg de pó e misturado com 70 mg de KBr, para obtenção da pastilha de KBr. Foi feita a análise de espectrofotometria no infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR). As absorções selecionadas para o cálculo foram 1610 cm-1 e 1637 cm-1, os picos dos espectros das ligações dos carbonos aromáticos e alifáticos, respectivamente. Os dados obtidos foram tratados estatisticamente. Os grupos Gr1B, Gr2B, Gr3B e Gr4B representam, respectivamente, as bases dos CP confeccionados pelas matrizes de DB, TN, TB e AI. Já os Gr1T, Gr2T, Gr3T e Gr4T representam os topos. Médias (%) e DP: Gr1T (46,461,99), Gr2T (39,864,51), Gr3T (44,053,44) e Gr4T (38,045,08). Gr1B (40,441,49), Gr2B (36,153,81), Gr3B (40,093,18) e Gr4B (35,593,35). Em posse dos resultados, pôde-se concluir que os grupos do teflon negro, teflon branco e aço inoxidável não apresentaram diferenças entre o grau de conversão do topo e da base, enquanto que o grupo da dentina apresentou maior conversão do topo. Comparando as matrizes entre elas, pôde-se perceber que no topo, o GC do dente bovino é maior que o GC do aço inoxidável e do que o de teflon negro, o GC do teflon branco é maior que o GC do aço inoxidável e do que o de teflon negro. Já o topo dos grupos de dente bovino e teflon banco foram semelhantes. Nas bases dos CPs, não houve diferença significativa entre os grupos testados. De acordo com os resultados obtidos no experimento, pôde-se concluir que nos grupos do teflon negro, teflon branco e aço inoxidável não houve diferença entre 0 e 2 mm, ou seja, topo e base, o que mostra que o material de confecção da matriz não influênciou o grau de conversão do compósito. Já para o grupo da matriz de dentina, o topo apresentou valor de conversão monomérica maior, mostrando que, neste caso, o material da matriz interferiu no grau de conversão. Pode-se perceber também que existe uma tendência da matriz de teflon branco se assemelhar mais a matriz de dentina, pois foi o único grupo que apresentou semelhança nos valores de conversão monomérica no topo das amostras. Porém analisando a base das amostras, percebe-se que todos os grupos se comportaram de forma semelhante, obtendo valores do grau de conversão sem diferença significante.

Processes controlling the quantities of biogenic materials in lakes and reservoirs subject to cultural eutrophication

The processes which control the growth, composition, succession and loss from suspension of phytoplankton algae are briefly reviewed, with special reference to function in eutrophic reservoir systems. The ecology of larger algal biomasses supported by high nutrient loading rates are more likely to be subject to physical (wash-out, underwater light penetration, thermal stability and mixing) than to chemical constraints. Sudden changes in the interactions between physical factors temporarily impair the growth of dominant algal species, and advance the succession. Certain algae may be cropped heavily, but selectively, by zooplankton feeding, but they are rarely the species which cause problems in waterworks practice. Grazing, however, does influence succession. A deeper understanding of the operation of loss control mechanism is urgently required. Potentially, manipulation of the physical environment provides an important means of alleviating day-to-day algal problems in eutrophic reservoirs; in terms of cost effectiveness these may prove to be more attractive than reducing nutrient loads at source.