Photoluminescence activity of Ba1-xCaxTiO3: dependence on particle size and morphology

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A new approach to the electronic structure of two dimensional disordered alloys

We propose a novel method to calculate the electronic Density of States (DOS) of a two dimensional disordered binary alloy. The method is highly reliable and numerically efficient, and Short Range Order (SRO) correlations can be included with no extra computational cost. The approach devised rests on one dimensional calculations and is applied to very long stripes of finite width, the bulk regime being achieved with a relatively small number of chains in the disordered case. Our approach is exact for the pure case and predicts the correct DOS structure in important limits, such as the segregated, random, and ordered alloy regimes. We also suggest important extensions of the present work. © 1995.

Structural evolution of Eu-doped hydroxyapatite nanorods monitored by photoluminescence emission

This paper reports the synthesis of Eu-doped hydroxyapatite (HA:Eu) resulting in particles with nanorod diameters from 9 to 26 nm using the microwave hydrothermal method (HTMW). Eu3+ ions were used as a marker in the HA network by basic hydrolysis followed by the HTMW treatment. The crystalline HA:Eu nanorod nature in a short-range order was detected by photoluminescence (PL) measurements from Eu3+ emission into the HA matrix. Thus, was possible to verify that HA crystallization is favored in a short structural order when the HTMW treatment time was increased from 0 to 40 min and that the Eu3+ substitution in the HA lattice is site-selective. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Structure and Ionic Conductivity in the Mixed-Network Former Chalcogenide Glass System [Na2S](2/3)[(B2S3)(x)(P2S5)(1-x)](1/3)

Glasses in the system [Na2S](2/3)[(B2S3)(x)(P2S5)(1-x)](1/3) (0.0 <= x <= 1.0) were prepared by the melt quenching technique, and their properties were characterized by thermal analysis and impedance spectroscopy. Their atomic-level structures were comprehensively characterized by Raman spectroscopy and B-11, P-31, and Na-23 high resolution solid state magic-angle spinning (MAS) NMR techniques. P-31 MAS NMR peak assignments were made by the presence or absence of homonuclear indirect P-31-P-31 spin-spin interactions as detected using homonuclear J-resolved and refocused INADEQUATE techniques. The extent of B-S-P connectivity in the glassy network was quantified by P-31{B-11} and B-11{P-31} rotational echo double resonance spectroscopy. The results clearly illustrate that the network modifier alkali sulfide, Na2S, is not proportionally shared between the two network former components, B and P. Rather, the thiophosphate (P) component tends to attract a larger concentration of network modifier species than predicted by the bulk composition, and this results in the conversion of P2S74-, pyrothiophosphate, Na/P = 2:1, units into PS43-, orthothiophosphate, Na/P = 3:1, groups. Charge balance is maintained by increasing the net degree of polymerization of the thioborate (B) units through the formation of covalent bridging sulfur (BS) units, B S B. Detailed inspection of the B-11 MAS NMR spectra reveals that multiple thioborate units are formed, ranging from neutral BS3/2 groups all the way to the fully depolymerized orthothioborate (BS33-) species. On the basis of these results, a comprehensive and quantitative structural model is developed for these glasses, on the basis of which the compositional trends in the glass transition temperatures (T-g) and ionic conductivities can be rationalized. Up to x = 0.4, the dominant process can be described in a simplified way by the net reaction equation P-1 + B-1 reversible arrow P-0 + B-4, where the superscripts denote the number of BS atoms for the respective network former species. Above x = 0.4, all of the thiophosphate units are of the P-0 type and both pyro-(B-1) and orthothioborate (B-0) species make increasing contributions to the network structure with increasing x. In sharp contrast to the situation in sodium borophosphate glasses, four-coordinated thioborate species are generally less abundant and heteroatomic B-S-P linkages appear to not exist. On the basis of this structural information, compositional trends in the ionic conductivities are discussed in relation to the nature of the charge-compensating anionic species and the spatial distribution of the charge carriers.

Physikalische Eigenschaften kolloidaler Festkörper

In dieser Arbeit wird das Phasenverhalten fluid-kristallin und kristallin-amorph, die elastischen Eigenschaften, das Nukleationsverhalten und das diffusive Verhalten ladungsstabilisierter Kolloide aus sphärischen Polystyrol- und Polytetrafluorethylenpartikeln in wässerigen Dispersionsmitteln bei sehr geringem Fremdionengehalt systematisch untersucht. Die dazugehörigen Messungen werden an einer neuartigen selbstkonstruierten Kombinationslichtstreuapparatur durchgeführt, die die Meßmethoden der dynamischen Lichtstreuung, statischen Lichtstreuung und Torsionsresonanzspektroskopie in sich vereint. Die drei Meßmethoden sind optimal auf die Untersuchung kolloidaler Festkörper abgestimmt. Das elastische Verhalten der Festkörper kann sehr gut durch die Elastizitätstheorie atomarer Kristallsysteme beschrieben werden, wenn ein Debye-Hückel-Potential im Sinne des Poisson-Boltzmann-Cell Modells als Wechselwirkungspotential verwendet wird. Die ermittelten Phasengrenzen fluid-kristallin stehen erstmalig in guter Übereinstimmung mit Ergebnissen aus molekulardynamischen Simulationen, wenn die in der Torsionsresonanzspektroskopie bestimmte Wechselwirkungsenergie zu Grunde gelegt wird. Neben der Gleichgewichtsstruktur sind Aussagen zur Verfestigungskinetik möglich. Das gefundene Nukleationserhalten kann gut durch die klassische Nukleationstheorie beschrieben werden, wenn bei niedriger Unterkühlung der Schmelze ein Untergrund heterogener Keimung berücksichtigt wird. PTFE-Partikel zeigen auch bei hohen Konzentrationen nur geringfügige Mehrfachstreuung. Durch ihren Einsatz ist erstmals eine systematische Untersuchung des Glasübergangs in hochgeladenen ladungsstabilisierten Systemen möglich. Ladungsstabilisierte Kolloide unterscheiden sich vor allem durch ihre extreme Kristallisationstendenz von früher untersuchten Hartkugelsystemen. Bei hohen Partikelkonzentrationen (Volumenbrüche größer 10 Prozent) kann ein glasartiger Festkörper identifiziert werden, dessen physikalisches Verhalten die Existenz eines Bernalglases nahe legt. Der Glasübergang ist im Vergleich mit den in anderen kolloidalen Systemen und atomaren Systemen beobachteten Übergängen von sehr unterschiedlichem Charakter. Im verwendeten PTFE-System ist auf Grund der langreichweitigen stark repulsiven Wechselwirkung kein direkter Zugang des Glaszustandes aus der übersättigten Schmelze möglich. Der amorphe Festkörper entsteht hier aus einer nanokristallinen Phase. Die Keimrate steigt im zugänglichen Meßbereich annähernd exponentiell mit der Partikelanzahldichte, so daß man feststellen kann, daß der Glaszustand nicht durch Unterdrückung der Nukleation, sondern durch eine Forcierung derselben erreicht wird.

Spin polarised Heusler compounds

In der vorliegenden Dissertation dient ein einfaches Konzept zur Systematisierung der Suche nach neuen Materialien mit hoher Spinpolarisation. Dieses Konzept basiert auf zwei semi-empirischen Modellen. Zum einen kann die Slater-Pauling Regel zur Abschätzung magnetischer Momente verwendet werden. Dieses Modell wird dabei durch Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Das zweites Modell kann insbesondere für die Co2YZ Heusler Verbindungen beim Vergleich ihrer magnetischen Eigenschaften gefunden werden. Für diese Verbindungen ergibt sich eine scheinbare lineare Abhängigkeit der Curie-Temperatur beim Auftragen als Funktion des magnetischen Momentes. Angeregt durch diese Modelle wurde die Heusler Verbindung Co2FeSi nochmals detailliert im Hinblick auf ihre geometrische und magnetische Struktur hin untersucht. Als Methoden dienten dabei die Pulver-Röntgenbeugung, die EXAFS Spektroskopie, Röntgen Absorptions- and Mößbauer Spektroskopie sowie Hoch- und Tieftemperatur Magnetometrie, XMCD and DSC. Die Messungen zeigten, dass es sich bei Co2FeSi um das Material mit dem höchsten magnetischen Moment (6 B) und der höchsten Curie Temperatur (1100 K) sowohl in der Klasse der Heusler Verbindungen als auch in der Klasse der halbmetallischen Ferromagnete handelt. Zusätzlich werden alle experimentellen Ergebnisse durch detaillierte Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Die gleichen Konzepte wurden verwendet, um die Eigenschaften der Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl vorherzusagen. Die elektronische Struktur und die spektroskopischen Eigenschaften wurden mit der voll-relativistischen Korringa-Kohn-Rostocker Methode berechnet, unter Verwendung kohärenter Potentialnäherungen um der zufälligen Verteilung von Cr und Fe Atomen sowie zufälliger Unordnung Rechnung zu tragen. Magnetische Effekte wurden durch die Verwendung Spin-abhängiger Potentiale im Rahmen der lokalen Spin-Dichte-Näherung mit eingeschlossen. Die strukturellen und chemischen Eigenschaften der quaternären Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl wurden an Pulver und Bulkproben gemessen. Die Fernordnung wurde mit der Pulver Röntgenbeugung und Neutronenbeugung untersucht, während die Nahordnung mit der EXAFS Spektroskopie aufgeklärt wurde. Die magnetische Struktur von Pulver und Bulkproben wurde mitttels 57Fe-Mößbauer Spektroskopie gemessen. Die chemische Zusammensetzung wurde durch XPS analysiert. Die Ergebnisse dieser Methoden wurden verglichen, um eine Einsicht in die Unterschiede zwischen Oberflächen und Volumeneigenschaften zu erlangen sowie in das Auftreten von Fehlordnung in solchen Verbindungen. Zusätzlich wurde XMCD an den L3,2 Kanten von Co, Fe, and Cr gemessen, um die elementspezifischen magnetischen Momente zu bestimmen. Rechnungen und Messungen zeigen dabei eine Zunahme des magnetischen Momentes bei steigendem Fe-Anteil. Resonante Photoemission mit weicher Röntgenstrahlung sowie Hochenergie Photoemission mit harter Röntgenstrahlung wurden verwendet, um die Zustandsdichte der besetzten Zustände in Co2Cr0.6Fe0.4Al zu untersuchen. Diese Arbeit stellt außerdem eine weitere, neue Verbindung aus der Klasse der Heusler Verbindungen vor. Co2CrIn ist L21 geordnet, wie Messungen mittels Pulver Röntgenbeugung zeigen. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit magnetometrisch bestimmt. Co2CrIn ist weichmagnetisch mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1.2B bei 5 K. Im Gegensatz zu den bereits oben erwähnten Co2YZ Heusler Verbindungen ist Co2CrIn kein halbmetallischer Ferromagnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird weiterhin eine Regel zur Vorhersage von halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagneten in der Klasse der Heusler Verbindungen vorgestellt. Dieses Konzept resultiert aus der Kombination der Slater-Pauling Regel mit der Kübler-Regel. Die Kübler Regel besagt, dass Mn auf der Y Position zu einem hoch lokalisierten magnetischen Moment tendiert. Unter Verwendung dieses neuen Konzeptes werden für einige Kandidaten in der Klasse der Heusler Verbindungen die Eigenschaft des halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagnetismus vorhergesagt. Die Anwendung dieses Konzeptes wird anhand von Rechnungen zur elektronischen Struktur bestätigt.

Statistische Betrachtungen und mößbauerspektroskopische Untersuchungen von Ordnungszuständen in Biotiten

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit standen Untersuchungen zu strukturellen Ordnungs- und Unordnungsphänomenen an natürlichen, substitutionellen Mischkristallen. Aufgrund der enormen Vielfalt an potentiellen Austauschpartnern wurden hierfür Vertreter der Biotit-Mischkristallreihe "Phlogopit-Annit" ausgewählt. Ihr modulartiger Aufbau ermöglichte die gezielte Beschreibung von Verteilungsmustern anionischer und kationischer Merkmalsträger innerhalb der Oktaederschicht der Biotit-Mischkristalle. Basierend auf der postulierten Bindungsaffinität zwischen Mg2+ und F- einerseits und Fe2+ und OH- andererseits, wurde die strukturelle Separation einer Fluor-Phlogopit-Komponente als primäre Ausprägungsform des Mg/F-Ordnungsprinzips abgeleitet. Im Rahmen dieser Modellvorstellung koexistieren im makroskopisch homogenen Biotit-Mischkristall Domänen zweier chemisch divergenter Phasen nebeneinander: Eine rein Mg2+/F- - führende Phlogopit-Phase und eine Wirtskristallphase, die mit fortschreitender Separation bzw. Entmischung der erstgenannten Phase sukzessive reicher an einer hydroxylführenden eisenreichen Annit-Komponente wird. Zwecks numerischer Beschreibung diverser Stadien der Entmischungsreaktion wurden die Begriffe der "Relativen" und "Absoluten Domänengröße" eingeführt. Sie stellen ein quantitatives Maß zur Beurteilung der diskutierten Ordnungsphänomene dar. Basierend auf einem sich stetig ändernden Chemismus der Wirtskristallphase kann jeder Übergangszustand zwischen statistischer Verteilung und vollständiger Ordnung durch das korrespondierende Verteilungsmuster der interessierenden Merkmalsträger ( = Nahordnungskonfiguration und Besetzungswahrscheinlichkeit) charakterisiert und beschrieben werden. Durch mößbauerspektroskopische Untersuchungen konnten die anhand der entwickelten Modelle vorhergesagten Ausprägungsformen von Ordnungs-/Unordnungsphänomenen qualitativ und quantitativ verifiziert werden. Es liessen sich hierbei zwei Gruppen von Biotit-Mischkristallen unterscheiden. Eine erste Gruppe, deren Mößbauer-Spektren durch den OH/F-Chemismus als dominierendes Differenzierungsmerkmal geprägt wird, und eine zweite Gruppe, deren Mößbauer-Spektren durch Gruppierungen von höherwertigen Kationen und Vakanzen ( = Defektchemie) geprägt wird. Auf der Basis von Korrelationsdiagrammen, die einen numerischen und graphischen Bezug zwischen absoluter und relativer Domänengröße einerseits und experimentell zugänglichem Mößbauer-Parameter A (= relativer Flächenanteil, korrespondierend mit der Besetzungswahrscheinlichkeit einer bestimmten Nahordnungs-konstellation) andererseits herstellen, konnten für die erste Gruppe die Volumina der beiden miteinander koexistierenden Komponenten "Hydroxyl-Annit reicher Wirtskristall" und "Fluor-Phlogopit" exakt quantifiziert werden. Das Spektrum der untersuchten Proben umfasste hierbei Kristallspezies, die einerseits durch geringe bis mittlere Mg2+/F- - bzw. Fe2+/OH- -Ordnungsgrade gekennzeichnet sind, andererseits eine nahezu vollständige Ordnung der interessierenden Merkmalsträger Mg2+, Fe2+, OH- und F- widerspiegeln. Desweiteren konnte der Nachweis geführt werden, dass für ausgewählte Proben eine quantitative Bestimmung der Defektvolumina möglich ist.

Ex situ X-­Ray absorption study of Li-­rich layered cathode material Li[Li0.2Mn0.56Ni0.16Co0.08]O2

The Li-rich layered transition metal oxides (LLOs) Li2MnO3-LiMO2 (M=Mn, Co, Ni, etc.) have drawn considerable attention as cathode materials for rechargeable lithium batteries. They generate large reversible capacities but the fundamental reaction mechanism and structural perturbations during cycling remain controversial. In the present thesis, ex situ X-ray absorption spectroscopy (XAS) measurements were performed on Li[Li0.2Mn0.56Ni0.16Co0.08]O2 at different stage of charge during electrochemical oxidation/reduction. K-edge spectra of Co, Mn and Ni were recorded through a voltage range of 3.7-4.8V vs. Li/Li+, which consist of X-ray absorption near edge structure (XANES) and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS). Oxidation states during initial charge were discussed based on values from literature as well as XANES analysis. Information about bond distance, coordination number as well as corresponding Debye-Waller factor were extracted from Gnxas analysis of raw data in the EXAFS region. The possibility of oxygen participation in the initial charge was discussed. Co and Ni prove to take part in the oxidation/reduction process while Mn remain in the tetravalent state. The cathode material appears to retain good structural short-range order during charge-discharge. A resemblance of the pristine sample and sample 4 was discovered which was firstly reported for similar compounds.

Forest Hydrology, Soil Conservation and Green Barriers in Canary Islands

In volcanic islands, the rainfall regime and its torrential nature, together with the steep slopes and the soil types present are considered to be some of the main factors affecting forest hydrology and soil conservation. In such environments, rain regime is generally irregular and characterized by short and intense rainfalls, which could cause destructive flows at times, followed by long periods of rain absence. The volcanic nature of these islands have as a direct resultant steep slopes which influences the runoff volume and speed, as well as the amount of topsoil susceptible to be detached and transported downstream. The soil type also affects the susceptibility to erosion processes. Andisols are the most typical soil on volcanic islands. Their particularities derive their mineral constituents, called short-range-order products, which provide these soils with an increased structural stability, which in turn reduces their susceptibility to erosion. However, the land use changes and the environmental factors such as rain regime and steep slopes may be determinant factor in destabilizing these soils and ultimately a cause for soil erosion and runoffs, which become a threat to the population downstream. Green barriers have been traditionally used to prevent or reduce these processes, also to enhance the dew effect and the fog water collection, and as a firebreak which acts as a barrier to slow or stop the progress of a wildfire. Wooded species present and subsequently their performance have a major influence on their effectiveness. The use of this natural erosion and fire control methods on volcanic islands is discussed in this paper.

Thermodynamic, surface and structural properties of liquid Co-Si alloys

The knowledge of thermophysical properties of liquid Co-Si alloys is a key requirement for manufacturing of composite materials by infiltration method. Despite this need, the experimental and predicted property data of the Co-Si system are scarce and often inconsistent between the various sources. In the present work the mixing behaviour of Co-Si melts has been analysed through the study of the concentration dependence of various thermodynamic, surface (surface tension and surface composition) and structural properties (concentration fluctuations in the long-wavelength limit and chemical short-range order parameter) in the framework of the Compound Formation Model (CFM) and Quasi Chemical Approximation for regular solutions (QCA). In addition, the surface tension of the Co22·5Si77.5 (in at%) eutectic alloy, that is proposed to be used as the infiltrant, has been measured by the pendant drop method at temperatures ranging from 1593 to 1773 K. The results obtained were discussed with respect to both, temperature and concentration, and subsequently compared with the model predictions and literature data.

A structural investigation of the alkali metal site distribution within bioactive glass using neutron diffraction and multinuclear solid state NMR

The atomic-scale structure of Bioglass and the effect of substituting lithium for sodium within these glasses have been investigated using neutron diffraction and solid state magic angle spinning (MAS) NMR. Applying an effective isomorphic substitution difference function to the neutron diffraction data has enabled the Na-O and Li-O nearest-neighbour correlations to be isolated from the overlapping Ca-O, O-(P)-O and O-(Si)-O correlations. These results reveal that Na and Li behave in a similar manner within the glassy matrix and do not disrupt the short range order of the network former. Residual differences are attributed solely to the variation in ionic radius between the two species. Successful simplification of the 2

Toy model to describe the effect of positional blocklike disorder in metamaterials composites

We study theoretically the effect of a new type of blocklike positional disorder on the effective electromagnetic properties of one-dimensional chains of resonant, high-permittivity dielectric particles, where particles are arranged into perfectly well-ordered blocks whose relative position is a random variable. This creates a finite order correlation length that mimics the situation encountered in metamaterials fabricated through self-assembled techniques, whose structures often display short-range order between near neighbors but long-range disorder, due to stacking defects. Using a spectral theory approach combined with a principal component statistical analysis, we study, in the long-wavelength regime, the evolution of the electromagnetic response when the composite filling fraction and the block size are changed. Modifications in key features of the resonant response (amplitude, width, etc.) are investigated, showing a regime transition for a filling fraction around 50%.

Absence of true long-range orbital order in a two-leg Kondo ladder

We investigate, through the density-matrix renormalization group and the Lanczos technique, the possibility of a two-leg Kondo ladder presenting an incommensurate orbital order. Our results indicate staggered short-range orbital order at half-filling. Away from half-filling our data are consistent with incommensurate quasi-long-range orbital order. We also observed that an interaction between the localized spins enhances the rung-rung current correlations.

Influence of the modifier on the short and long range disorder of stannate perovskites

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Observation of long-range, near-side angular correlations in proton-proton collisions at the LHC

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)