Programmable high-performance IIR filter chip

The paper presents a state-of-the-art commercial demonstrator chip for infinite impulse response (IIR) filtering. The programmable IIR filter chip contains eight multiplier/accumulators that can be configured in one of five different modes to implement up to a 16th-order IIR filter. The multiply-accumulate block is based on a highly regular systolic array architecture and uses a redundant number system to overcome problems of pipelining in the feedback loop. The chip has been designed using the GEC Plessey Semiconductors CLA 78000 series gate array, operates on 16-bit two's complement data and has a clock speed of 30 MHz. Issues such as overflow detection and design for testability have also been addressed and are described.

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.

Analog of Rabi oscillations in resonant electron-ion systems

Quantum coherence between electron and ion dynamics, observed in organic semiconductors by means of ultrafast spectroscopy, is the object of recent theoretical and computational studies. To simulate this kind of quantum coherent dynamics, we have introduced in a previous article [L. Stella, M. Meister, A. J. Fisher, and A. P. Horsfield, J. Chem. Phys. 127, 214104 (2007)] an improved computational scheme based on Correlated Electron-Ion Dynamics (CEID). In this article, we provide a generalization of that scheme to model several ionic degrees of freedom and many-body electronic states. To illustrate the capability of this extended CEID, we study a model system which displays the electron-ion analog of the Rabi oscillations. Finally, we discuss convergence and scaling properties of the extended CEID along with its applicability to more realistic problems. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi: 10.1063/1.3589165]

Halometallate ionic liquids – revisited

Ionic liquids with chlorometallate anions may not have been the first ionic liquids, however, it was their development that lead to the recognition that ionic liquids are a distinct, and useful, class of (functional) materials. While much of the phenomenal interest and attention over the past two decades has focussed on ‘air and water stable’ ionic liquids, research and application of chlorometallate systems has continued unabated albeit largely out of the main spotlight. The defining characteristic of chlorometallates is the presence of complex anionic equilibria, which depend both on the type and on the concentration of metal present, and leads directly to their characteristic and individual properties. Here, we review the experimental techniques that can be applied to study and characterise the anion speciation in these ionic liquids and, using recent examples, illustrate how their applications base is evolving beyond traditional applications in Lewis acidic catalysis and electrochemistry through to uses as soft and component materials, in the ionothermal synthesis of semiconductors, gas storage systems and key components in the development of biomass processing.

Pre-charging and DC Fault Ride-Through of Hybri MMC Based HVDC Systems

Compared to half-bridge based MMCs, full-bridge based systems have the advantage of blocking dc fault, but at the expense of increased power semiconductors and power losses. In view of the relationships among ac/dc voltages and currents in full-bridge based MMC with the negative voltage state, this paper provides a detailed analysis on the link between capacitor voltage variation and the maximum modulation index. A hybrid MMC, consisting of mixed half-bridge and full-bridge circuits to combine their respective advantages is investigated in terms of its pre-charging process and transient dc fault ride-through capability. Simulation and experiment results demonstrate the feasibility and validity of the proposed strategy for a full-bridge based MMC and the hybrid MMC.

State detection of bond wires in IGBT modules using eddy current pulsed thermography

Insulated gate bipolar transistor (IGBT) modules are important safety critical components in electrical power systems. Bond wire lift-off, a plastic deformation between wire bond and adjacent layers of a device caused by repeated power/thermal cycles, is the most common failure mechanism in IGBT modules. For the early detection and characterization of such failures, it is important to constantly detect or monitor the health state of IGBT modules, and the state of bond wires in particular. This paper introduces eddy current pulsed thermography (ECPT), a nondestructive evaluation technique, for the state detection and characterization of bond wire lift-off in IGBT modules. After the introduction of the experimental ECPT system, numerical simulation work is reported. The presented simulations are based on the 3-D electromagnetic-thermal coupling finite-element method and analyze transient temperature distribution within the bond wires. This paper illustrates the thermal patterns of bond wires using inductive heating with different wire statuses (lifted-off or well bonded) under two excitation conditions: nonuniform and uniform magnetic field excitations. Experimental results show that uniform excitation of healthy bonding wires, using a Helmholtz coil, provides the same eddy currents on each, while different eddy currents are seen on faulty wires. Both experimental and numerical results show that ECPT can be used for the detection and characterization of bond wires in power semiconductors through the analysis of the transient heating patterns of the wires. The main impact of this paper is that it is the first time electromagnetic induction thermography, so-called ECPT, has been employed on power/electronic devices. Because of its capability of contactless inspection of multiple wires in a single pass, and as such it opens a wide field of investigation in power/electronic devices for failure detection, performance characterization, and health monitoring. 

On-line monitoring of laser modification of titanium dioxide using optical surface second harmonic

TiO₂ photocatalysis is a promising technology for the destruction of organic pollutants in both waste and potable waters with the mineralisation of a wide range of compounds having been reported. TiO ₂ has many advantages over other semiconductors, it is highly photoreactive, cheap, non-toxic, chemically and biologically inert, and photostable. The photocatalytic activity of TiO₂ has been shown to depend upon many criteria including the ratio of anatase/rutile crystal phase, particle size and oxidation state. This paper reports the use of optical surface second harmonic generation (SSHG) to monitor modifications in TiO ₂ powder induced following laser treatment. SSHG is a non-contact, non-destructive technique, which is highly sensitive to both surface chemical and physical changes. Results show that three different SSH intensities were observable as the TiO₂ samples were irradiated with the laser light. These regions were related to changes in chemical characteristics and particle size of the TiO₂ powder

Factors affecting the photoelectrochemical fixation of carbon dioxide with semiconductor colloids

Carbon dioxide was reduced photocatalytically using aqueous CdS or ZnS colloids containing tetramethylammonium chloride to give the dimeric and tetrameric products namely, oxalate, glyoxylate, glycolate and tartrate. A model is presented to explain the role of the tetramethylammonium ions. Studies were also performed using ZnO, SiC, BaTiO₃ and Sr TiO₃, which in the absence of tetramethylammonium ions produced formate and formaldehyde. The relative quantum efficiencies of the six semiconductors were related to their band gaps and conduction band potentials. The role and effectiveness of several 'hole acceptor' (electron donor) compounds in this process is shown to be related to their redox potentials.

Semiconductor photocatalysis: an environmentally acceptable alternative production technique and effluent treatment process

New environmentally acceptable production methods are required to help reduce the environmental impact of many industrial processes. One potential route is the application of photocatalysis using semiconductors. This technique has enabled new environmentally acceptable synthetic routes for organic synthesis which do not require the use of toxic metals as redox reagents. These photocatalysts also have more favourable redox potentials than many traditional reagents. Semiconductor photocatalysis can also be applied to the treatment of polluted effluent or for the destruction of undesirable by-products of reactions. In addition to the clean nature of the process the power requirements of the technique can be relatively low, with some reactions requiring only sunlight. 

Orange Zinc Germanate with Metallic Ge-Ge Bonds as a Chromophore-Like Center for Visible-Light-Driven Water Splitting

The efficiency of solar-energy-conversion devices depends on the absorption region and intensity of the photon collectors. Organic chromophores, which have been widely stabilized on inorganic semiconductors for light trapping, are limited by the interface between the chromophore and semiconductor. Herein we report a novel orange zinc germanate (Zn-Ge-O) with a chromophore-like structure, by which the absorption region can be dramatically expanded. Structural characterizations and theoretical calculations together reveal that the origin of visible-light response can be attributed to the unusual metallic Ge-Ge bonds which act in a similar way to organic chromophores. Benefiting from the enhanced light harvest, the orange Zn-Ge-O demonstrates superior capacity for solar-driven hydrogen production.

Magnetic impurities in nanostructured materials

Os resultados apresentados aqui foram alcançados no âmbito do programa de doutoramento intitulado “Impurezas Magnéticas em Materiais Nanoestruturados”. O objectivo do estudo foi a síntese e caracterização de óxido contendo impurezas magnéticas. Durante este trabalho, sínteses de sol-gel não-aquoso têm sido desenvolvidos para a síntese de óxidos dopados com metais de transição (ZnO e ZrO2). A dopagem uniforme é particularmente importante no estudo de semicondutores magnéticos diluídos (DMSs) e o ponto principal deste estudo foi verificar o estado de oxidação e a estrutura local do dopante e para excluir a existência de uma fase secundária como a origem do ferromagnetismo. Para alargar o âmbito da investigação e explorar plenamente o conceito de "impurezas magnéticas em materiais nanoestruturados" estudamos as propriedades de nanopartículas magnéticas dispersas em uma matriz de óxido. As nanopartículas (ferrita de cobalto) foram depositadas como um filme e cobertas com um óxido metálico semicondutor ou dielétrico (ZnO, TiO2). Estes hetero-sistemas podem ser considerados como a dispersão de impurezas magnéticas em um óxido. As caracterizações exigidas por estes nanomateriais têm sido conduzidas na Universidade de Aveiro e Universidade de Montpellier, devido ao equipamento complementar.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.