Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Oxygen isotope ratios on calcite from the Piànico lake record

Stable oxygen isotope analyses at annual, 2-, 5-, 10- and 20-varve sample resolutions were carried out on two selected varve intervals from the interglacial sediment record of the Piànico palaeolake. These sediments are particularly suitable for ultra-high-resolution isotope analyses on lacustrine endogenic calcite because of the exceptionally well-preserved varve structure. A bias through detrital contamination can be excluded because microscopically controlled sampling enabled selecting detritus-free samples. The studied sediment intervals comprise 352 and 88 continuous varve series formed during periods of rapid climate change at the onset and end of a marked millennial-scale cool interval during the Piànico Interglacial. The most intriguing result is a pronounced short-term oscillation in the bi-annually resolved isotope record superimposed on the general decreasing and increasing d18O trends at the climatic transitions that is recorded at lower sample resolution. Spectral analyses of the bi-annual time series reveal periodicities indicating solar and NAO controls on the d18O record. Multiple d18O measurements from endogenic calcite of individual varves showed variations of up to 0.6 per mil, thus larger than the observed inter-annual variability and most likely explained by seasonal effects.

Mineralogical, geochemical and magnetic signatures of surface sediments from the Canadian Beaufort Shelf and Amundsen Gulf (Canadian Arctic)

Mineralogical, geochemical, magnetic, and siliciclastic grain-size signatures of 34 surface sediment samples from the Mackenzie-Beaufort Sea Slope and Amundsen Gulf were studied in order to better constrain the redox status, detrital particle provenance, and sediment dynamics in the western Canadian Arctic. Redox-sensitive elements (Mn, Fe, V, Cr, Zn) indicate that modern sedimentary deposition within the Mackenzie-Beaufort Sea Slope and Amundsen Gulf took place under oxic bottom-water conditions, with more turbulent mixing conditions and thus a well-oxygenated water column prevailing within the Amundsen Gulf. The analytical data obtained, combined with multivariate statistical (notably, principal component and fuzzy c-means clustering analyses) and spatial analyses, allowed the division of the study area into four provinces with distinct sedimentary compositions: (1) the Mackenzie Trough-Canadian Beaufort Shelf with high phyllosilicate-Fe oxide-magnetite and Al-K-Ti-Fe-Cr-V-Zn-P contents; (2) Southwestern Banks Island, characterized by high dolomite-K-feldspar and Ca-Mg-LOI contents; (3) the Central Amundsen Gulf, a transitional zone typified by intermediate phyllosilicate-magnetite-K-feldspar-dolomite and Al-K-Ti-Fe-Mn-V-Zn-Sr-Ca-Mg-LOI contents; and (4) mud volcanoes on the Canadian Beaufort Shelf distinguished by poorly sorted coarse-silt with high quartz-plagioclase-authigenic carbonate and Si-Zr contents, as well as high magnetic susceptibility. Our results also confirm that the present-day sedimentary dynamics on the Canadian Beaufort Shelf is mainly controlled by sediment supply from the Mackenzie River. Overall, these insights provide a basis for future studies using mineralogical, geochemical, and magnetic signatures of Canadian Arctic sediments in order to reconstruct past variations in sediment inputs and transport pathways related to late Quaternary climate and oceanographic changes.

Design and Implementation of Tools for STM Studies in UHV and at the Solid-Liquid Interface

This thesis presents details of the design and development of novel tools and instruments for scanning tunneling microscopy (STM), and may be considered as a repository for several years' worth of development work. The author presents design goals and implementations for two microscopes. First, a novel Pan-type STM was built that could be operated in an ambient environment as a liquid-phase STM. Unique features of this microscope include a unibody frame, for increased microscope rigidity, a novel slider component with large Z-range, a unique wiring scheme and damping mechanism, and a removable liquid cell. The microscope exhibits a high level of mechanical isolation at the tunnel junction, and operates excellently as an ambient tool. Experiments in liquid are on-going. Simultaneously, the author worked on designs for a novel low temperature, ultra-high vacuum (LT-UHV) instrument, and these are presented as well. A novel stick-slip vertical coarse approach motor was designed and built. To gauge the performance of the motor, an in situ motion sensing apparatus was implemented, which could measure the step size of the motor to high precision. A new driving circuit for stick-slip inertial motors is also presented, that o ffers improved performance over our previous driving circuit, at a fraction of the cost. The circuit was shown to increase step size performance by 25%. Finally, a horizontal sample stage was implemented in this microscope. The build of this UHV instrument is currently being fi nalized. In conjunction with the above design projects, the author was involved in a collaborative project characterizing N-heterocyclic carbene (NHC) self-assembled monolayers (SAMs) on Au(111) films. STM was used to characterize Au substrate quality, for both commercial substrates and those manufactured via a unique atomic layer deposition (ALD) process by collaborators. Ambient and UHV STM was then also used to characterize the NHC/Au(111) films themselves, and several key properties of these films are discussed. During this study, the author discovered an unexpected surface contaminant, and details of this are also presented. Finally, two models are presented for the nature of the NHC-Au(111) surface interaction based on the observed film properties, and some preliminary theoretical work by collaborators is presented.

Endonuclease Controlled Aggregation of Gold Nanoparticles for the Ultrasensitive Detection of Pathogenic Bacterial DNA

The development of an ultrasensitive biosensor for the low-cost and on-site detection of pathogenic DNA could transform detection capabilities within food safety, environmental monitoring and clinical diagnosis. Herein, we present an innovative approach exploiting endonuclease-controlled aggregation of plasmonic gold nanoparticles (AuNPs) for label-free and ultrasensitive detection of bacterial DNA. The method utilizes RNA-functionalized AuNPs which form DNA-RNA heteroduplex structures through specific hybridization with target DNA. Once formed, the DNA-RNA heteroduplex is susceptible to RNAse H enzymatic cleavage of the RNA probe, allowing the target DNA to liberate and hybridize with another RNA probe. This continuously happens until all of the RNA probes are cleaved, leaving the nanoparticles unprotected and thus aggregated upon exposure to a high electrolytic medium. The assay is ultrasensitive, allowing the detection of target DNA at femtomolar level by simple spectroscopic analysis (40.7 fM and 2.45 fM as measured by UV-vis and dynamic light scattering (DLS), respectively). The target DNA spiked food matrix (chicken meat) is also successfully detected at a concentration of 1.2 pM (by UV-vis) or 18.0 fM (by DLS). In addition to the ultra-high sensitivity, the total analysis time of the assay is less than 3 hours, thus demonstrating its practicality for food analysis.

Fabrication and Characterization of Efficient Optical Filter Arrays Implemented by 3D Nanoimprint

In dieser Arbeit werden optische Filterarrays für hochqualitative spektroskopische Anwendungen im sichtbaren (VIS) Wellenlängenbereich untersucht. Die optischen Filter, bestehend aus Fabry-Pérot (FP)-Filtern für hochauflösende miniaturisierte optische Nanospektrometer, basieren auf zwei hochreflektierenden dielektrischen Spiegeln und einer zwischenliegenden Resonanzkavität aus Polymer. Jeder Filter erlaubt einem schmalbandigem spektralen Band (in dieser Arbeit Filterlinie genannt) ,abhängig von der Höhe der Resonanzkavität, zu passieren. Die Effizienz eines solchen optischen Filters hängt von der präzisen Herstellung der hochselektiven multispektralen Filterfelder von FP-Filtern mittels kostengünstigen und hochdurchsatz Methoden ab. Die Herstellung der multiplen Spektralfilter über den gesamten sichtbaren Bereich wird durch einen einzelnen Prägeschritt durch die 3D Nanoimprint-Technologie mit sehr hoher vertikaler Auflösung auf einem Substrat erreicht. Der Schlüssel für diese Prozessintegration ist die Herstellung von 3D Nanoimprint-Stempeln mit den gewünschten Feldern von Filterkavitäten. Die spektrale Sensitivität von diesen effizienten optischen Filtern hängt von der Genauigkeit der vertikalen variierenden Kavitäten ab, die durch eine großflächige ‚weiche„ Nanoimprint-Technologie, UV oberflächenkonforme Imprint Lithographie (UV-SCIL), ab. Die Hauptprobleme von UV-basierten SCIL-Prozessen, wie eine nichtuniforme Restschichtdicke und Schrumpfung des Polymers ergeben Grenzen in der potenziellen Anwendung dieser Technologie. Es ist sehr wichtig, dass die Restschichtdicke gering und uniform ist, damit die kritischen Dimensionen des funktionellen 3D Musters während des Plasmaätzens zur Entfernung der Restschichtdicke kontrolliert werden kann. Im Fall des Nanospektrometers variieren die Kavitäten zwischen den benachbarten FP-Filtern vertikal sodass sich das Volumen von jedem einzelnen Filter verändert , was zu einer Höhenänderung der Restschichtdicke unter jedem Filter führt. Das volumetrische Schrumpfen, das durch den Polymerisationsprozess hervorgerufen wird, beeinträchtigt die Größe und Dimension der gestempelten Polymerkavitäten. Das Verhalten des großflächigen UV-SCIL Prozesses wird durch die Verwendung von einem Design mit ausgeglichenen Volumen verbessert und die Prozessbedingungen werden optimiert. Das Stempeldesign mit ausgeglichen Volumen verteilt 64 vertikal variierenden Filterkavitäten in Einheiten von 4 Kavitäten, die ein gemeinsames Durchschnittsvolumen haben. Durch die Benutzung der ausgeglichenen Volumen werden einheitliche Restschichtdicken (110 nm) über alle Filterhöhen erhalten. Die quantitative Analyse der Polymerschrumpfung wird in iii lateraler und vertikaler Richtung der FP-Filter untersucht. Das Schrumpfen in vertikaler Richtung hat den größten Einfluss auf die spektrale Antwort der Filter und wird durch die Änderung der Belichtungszeit von 12% auf 4% reduziert. FP Filter die mittels des Volumengemittelten Stempels und des optimierten Imprintprozesses hergestellt wurden, zeigen eine hohe Qualität der spektralen Antwort mit linearer Abhängigkeit zwischen den Kavitätshöhen und der spektralen Position der zugehörigen Filterlinien.

Neutron Scattering Studies on Complex Magnetic Structures in Magnetoelectric Materials

In this thesis, the magnetic properties of four transition-metal oxides are presented. Their multiferroic and magnetoelectric phases have been investigated by means of different neutron scattering techniques. The materials TbMnO3 and MnWO4 belong to the group of spin-induced multiferroics. Their ferroelectric polarization can be explained by the inverse DzyaloshinskiiMoriya interaction. Another common feature of both materials is the presence of subsequent magnetic transitions from a spin-density wave to a spin spiral. The features of the phase transitions have been studied in both materials and it could be shown that diffuse magnetic scattering from the spin spiral is present even in the ordered spin-density wave phase. The excitation spectrum in the multiferroic phase of TbMnO3 was investigated in detail and a comprehensive dataset was obtained using time-of-flight spectroscopy. A spin-wave model could be obtained which can quantitatively describe the full dispersion. Furthermore, the polarization of the zone-center excitations could be derived which fit well to data from inelastic neutron spectroscopy and infrared spectroscopy. With the combination of spherical neutron polarimetry and a poling of the sample by an electric field, it was possible to observe the chiral magnetic component of the magnetic excitations in TbMnO3 and MnWO4. The spin-wave model for TbMnO3 obtained in this thesis is able to correctly describe the dispersion of this component. The double tungstate NaFe(WO4)2 is isostructural to the multiferroic MnWO4 and develops a complex magnetic phase diagram. By the use of neutron diffraction techniques, the zero-field structure and high-field structures in magnetic field applied along the b-axis could be determined. The data reveal a direct transition into an incommensurate spin-spiral structure. The value of the incommensurability is driven by anharmonic modulations and shows strong hysteresis effects. The static and dynamic properties in the magnetoelectric spin-glass phase of Ni0.42Mn0.58TiO3 were studied in detail. The spin-glass phase is composed of short-ranged MnTiO3 and NiTiO3-type order. The antiferromagnetic domains could be controlled by crossed magnetic and electric fields, which was visualized using spherical neutron polarimetry. A comprehensive dataset of the magnetic excitations in the spin-glass phase was collected. The dataset revealed correlations in the hexagonal plane which are only weakly coupled along the c-axis. The excitation spectra could be simulated by taking into account the MnTiO3-type order.

Hitsin juurenpuolen kriittisyys suurlujuus teräksillä

Kandidaatintyön tarkoituksena oli selvittää pienahitsin juuren kriittisyyttä. Työ oli saanut aiheen rakenneputki kokeiden yhteydessä tehdyistä havainnoista. Työssä tutustuttiin millaiset ovat pienahitsin mitoitus menetelmät ja tausta tutkimusta kuinka sitä sovelletaan käytäntöön suurlujuusteräksille. Työssä esitellään käytetyt tutkimusmenetelmät kuinka menetelmätriangulaatio saavutettiin. Tutkimuskysymyksenä oli hitsien kestävyyden mitoituksen riittävyys. Tutkimukset suoritettiin tarkastellen staattisesti kuormitettuja pienahitsejä. Pienahitsi kappaleista tehtiin laboratoriokoekappale ja FEM-laskentamalli joista vertailtiin tuloksia. Laboratoriokokeessa mittaus menetelmänä käytettiin DIC-mittausta, jolle voitiin tehdä jälkikäsittelyjä ja sieltä määrittää haluttuja datapisteitä. Laskennassa suurimmat jännityskeskittymät syntyivät hitsin kohdalle mutta vetokokeessa koekappaleeseen syntyi vauriot sularajalle ja vetokorvakkeen kiinnityshitsin rajaviivalle. Tällä kohtaa todettiin materiaalimalli riittämättömäksi, koska siihen ei ollut määritelty muutosvyöhykkeen parametreja.

The exposure of the hybrid detector of the Pierre Auger Observatory.

The Pierre Auger Observatory is a detector for ultra-high energy cosmic rays. It consists of a surface array to measure secondary particles at ground level and a fluorescence detector to measure the development of air showers in the atmosphere above the array. The "hybrid" detection mode combines the information from the two subsystems. We describe the determination of the hybrid exposure for events observed by the fluorescence telescopes in coincidence with at least one water-Cherenkov detector of the surface array. A detailed knowledge of the time dependence of the detection operations is crucial for an accurate evaluation of the exposure. We discuss the relevance of monitoring data collected during operations, such as the status of the fluorescence detector, background light and atmospheric conditions, that are used in both simulation and reconstruction. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Excitonic behaviour in polymeric semiconductors : the effect of morphology and composition in heterostructures

La compréhension des interrelations entre la microstructure et les processus électroniques dans les polymères semi-conducteurs est d’une importance primordiale pour leur utilisation dans des hétérostructures volumiques. Dans cette thèse de doctorat, deux systémes diffèrents sont étudiés ; chacun de ces systèmes représente une approche diffèrente pour optimiser les matériaux en termes de leur microstructure et de leur capacité à se mettre en ordre au niveau moléculaire. Dans le premier système, j’ai effectué une analyse complète des principes de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque hybride à base des nanocristaux d’oxyde de zinc (ZnO) et du poly (3-hexylthiophène) (P3HT) par absorption photoinduite en régime quasi-stationnaire (PIA) et la spectroscopie PIA en pompage modulé dépendant de la fréquence. L’interface entre le donneur (le polymère P3HT) et l’accepteur (les nanoparticules de ZnO), où la génération de charges se produit, joue un rôle important dans la performance des cellules photovoltaïques hybrides. Pour améliorer le mécanisme de génération de charges du P3H: ZnO, il est indispensable de modifier l’interface entre ses constituants. Nous avons démontré que la modification d’interface moléculaire avec cis-bis (4, 40 - dicarboxy-2, 20bipyridine) ruthénium (II) (N3-dye) et a-Sexithiophen-2 yl-phosphonique (6TP) a améliorée le photocourant et la performance dans les cellules P3HT: ZnO. Le 6TP et le N3 s’attachent à l’interface du ZnO, en augmentant ainsi l’aire effective de la surface donneur :accepteur, ce qui contribue à une séparation de charge accrue. De plus, le 6TP et le N3 réduisent la densité de pièges dans le ZnO, ce qui réduit le taux de recombinaison des paires de charges. Dans la deuxième partie, jai introduit une matrice hôte polymérique de polystyréne à masse molaire ulra-élevée, qui se comporte comme un solide pour piéger et protéger une solution de poly [2-méthoxy, 5- (2´-éthyl-hexoxy) -1,4-phénylènevinylène- PPV] (MEHPPV) pour utilisation dans des dispositifs optoèlectroniques quantiques. Des travaux antérieurs ont montré que MEH-PPV en solution subit une transition de conformation, d’une conformation enroulé à haute température (phase bleue) à une conformation de chaîne étendue à basse température (phase rouge). La conformation de la chaîne étendue de la solution MEH-PPV favorise les caractéristiques nécessaires à l’amélioration des dispositifs optoélectroniques quantiques, mais la solution ne peut pas être incorporées dans le dispositif. J’ai démontré que la caractéristique de la phase rouge du MEH-PPV en solution se maintient dans une matrice hôte polymérique de polystyrène transformé de masse molaire très élevée, qui se comporte comme un solide (gel de MEH-PPV/UHMW PS), par le biais de la spectroscopie de photoluminescence (PL) dépendant de la température (de 290K à 80 K). La phase rouge du gel MEH-PPV/UHMW PS se manifeste par des largeurs de raie étroites et une intensité augmentée de la transition 0-0 de la progression vibronique dans le spectre de PL ainsi qu’un petit décalage de Stokes entre la PL et le spectre d’absorption à basse température. Ces approches démontrent que la manipulation de la microstructure et des propriétés électroniques des polymères semi-conducteurs ont un impact direct sur la performance de dispositifs pour leurs développements technologiques continus.

Influência de feixes de condutores em linhas de transmissão UAT CA

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2015.

The fluorescence detector of the Pierre Auger Observatory

The Pierre Auger Observatory is a hybrid detector for ultra-high energy cosmic rays. It combines a surface array to measure secondary particles at ground level together with a fluorescence detector to measure the development of air showers in the atmosphere above the array. The fluorescence detector comprises 24 large telescopes specialized for measuring the nitrogen fluorescence caused by charged particles of cosmic ray air showers. In this paper we describe the components of the fluorescence detector including its optical system, the design of the camera, the electronics, and the systems for relative and absolute calibration. We also discuss the operation and the monitoring of the detector. Finally, we evaluate the detector performance and precision of shower reconstructions. (C) 2010 Elsevier B.V All rights reserved.