Epitaxial Magnetic Oxide Nanocrystals Via Phase Decomposition of Bismuth Perovskite Precursors

The phase instability of bismuth perovskite (BiMO₃), where M is a ferromagnetic cation, is exploited to create self-assembled magnetic oxide nanocrystal arrays on oxide supports. Conditions during pulsed laser deposition are tuned so as to induce complete breakdown of the perovskite precursor into bismuth oxide (Bi₂ O₃ ) and metal oxide (M-O_x ) pockets. Subsequent cooling in vacuum volatizes the Bi₂ O₃ leaving behind an array of monodisperse nanocrystals. In situ reflective high energy electron diffraction beam is exploited to monitor the synthesis in real-time. Analysis of the patterns confi rms the phase separation and volatization process. Successful synthesis of M-O_x, where M = Mn, Fe, Co, and Cr, is shown using this template-free facile approach. Detailed magnetic characterization of nanocrystals is carried out to reveal the functionalities such as magnetic anisotropy as well as larger than bulk moments, as expected in these oxide nanostructures.

Detection of pathogen based on the catalytic growth of gold nanocrystals

A homogenous detection of pathogen (Giardia lamblia cysts) based on the catalytic growth of gold nanoparticles (AuNPs) has been studied. In this study, centrifugal filters were employed as tools to concentrate and separate the pathogen cells, and moreover amplify the detection signal. The catalytic growth of gold nanoparticles was verified to be positively related to gold seeds concentration. On this basis, homogenous detection of the pathogenic bacteria in liquid phase was established by means of conjugating antibody to gold seeds. Under the given experimental condition, detection limit of G. lamblia cysts was determined as low as 1.088 × 103 cells ml-1. The additional nonspecific binding tests were also conducted to verify the detection specificity. This sensing platform has been proved to be a sensitive, reliable and simple method for large-scale pathogen detection, and provide valuable insight for the development of gold nanocrystals based colorimetric biosensors.

Homogenous growth of gold nanocrystals for quantification of PSA protein biomarker

We report on another alternative sensing platform for the detection of protein biomarker (PSA–ACT complex) based on homogenous growth of Au nanocrystals in solution phase. The immuno-recognition event is translated into the gold nanoparticle growth signal which can be intuitively recognized by an unaided eye, or quantitatively measured by an UV–vis spectrophotometric analysis. Surface plasmonic signature and kinetics of the Au nanogrowth in the homogenous phase containing of HAuCl4, AA, and CTAB have also been studied to provide suitable parameters for the immunoassay. As a result, detection limit of PSA–ACT complex was determined to be 10 fM. The result indicated that this is a very sensitive, robust, simple, and economic strategy to detect protein biomarkers, and it has great potential to detect other biological interactions.

Growth of Gold Nanocrystals Incorporated with Magnetic Microbead-based Separation as a Tool for Quantification of Biological Interactions

Au nanoparticles (AuNPs) have been widely used not only as optical labels or ‘weight” labels for the detections of biorecognition events but also an amplifier of surface plasmon resonance biosensors. The intrinsic property of gold nuclei composing of a group of Au atoms to catalyze the reduction of metal ions on the NPs and thereby to enlarge the metallic nanoparticles is employed in different biosensing paths. In a solution containing Au+ ions (e.g. HAuCl4) and the Au clusters, hydrated electrons which are reduced from oxidation of reducers (H2O2, sodium citrate, ascorbic acid, or NaBH4) will be used to reduce the Au+ ion leading to the deposition of Au+ to the Au0 (Au clusters). The reaction will be catalyzed continuously by the Au0 until the Au+ ions and hydrated electrons are exhausted. As a result, the AuNPs will be grown and their optical properties are also changed. If the AuNP nanoclusters are used as probes, the color change will be dependent on amount of analytes, thus give a quantitative monitoring of the analytes.

In this study, we incorporate the use of magnetic beads with the nanocrystalline growth to quantify a target protein based on immunoreactions. Prostate specific antigen (PSA) is chosen as the target analyte because of its values in diagnosis of prostate cancer. A double-sandwiched immunoassay is performed by gold-tagged monoclonal PSA antibody-PSA antigen – magnetic bead-tagged polyclonal PSA antibody interactions. After the immunoreactions, the target analytes are preconcentrated and separated by the magnetic beads while the nanogrowth plays a role of colorimetric signal developer.

The result shows that this is a very sensitive, robust and excellent strategy to detect biological interactions. PSA antigen is detected at femtomolar level with very high specificity under the presence of undesired proteins of crude samples. Furthermore, the method also shows great potential to detect other biological interactions. More details will be described in our presentation.

Theory of phonon dissipation in the conduction of stressed Au nanowires

Recent experiments on Au break junctions [Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 216803] have characterized the nonlinear conductance of stretched short Au nanowires. They reveal in the voltage range 10-20 meV the signatures of dissipation effects, likely due to phonons in the nanowire, reducing the conductance below the quantized value of 2e(2)/h. We present here a theory, based on a model tight-binding Hamiltonian and on non-equilibrium Green's function techniques, which accounts for the main features of the experiment. The theory helps in revealing details of the experiment which need to be addressed with a more realistic, less idealized, theoretical framework. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Optical and magneto-optical properties of gold core cobalt shell magnetoplasmonic nanowire arrays

In this work we present core–shell nanowire arrays of gold coated with a nanometric layer of cobalt. Despite the extremely small Co volume, these core–shell nanowires display large magneto-optical activity and plasmonic resonance determined by the geometry of the structure. Therefore, we are able to tune both the plasmonic and magneto-optical response in the visible range. Through optical and ellipsometric measurements in transmission, and applying a magnetic field to the sample, it is possible to modulate the value of the phase angle (Del {Δ}) between the S and P polarised components. It was found that the core–shell sample produced an order of magnitude larger variation in Del with changing magnetic field direction, compared with hollow cobalt tubes. The enhancement of magneto optical properties through the plasmonic nature of the gold core is complemented with the ability to induce magnetic influence over optical properties via an externally applied field. Moreover, we demonstrate for the first time the ability to use the remanent magnetisation of the Co, in conjunction with the optical properties defined by the Au, to observe remanent optical states in this uniquely designed structure. This new class of magnetoplasmonic metamaterial has great potential in a wide range of applications, from bio-sensing to data storage due to the tuneable nature of multiple resonance modes and dual functionality.

Activity Enhancement of Tetrahexahedral Pd Nanocrystals by Bi Decoration towards Ethanol Electrooxidation in Alkaline Media

Tetrahexahedral Pd nanocrystals (THH Pd NCs) were prepared on a glassy carbon electrode using a programmed square-wave potential electrodeposition method, and modified by Bi adatoms with a range of coverages via the cyclic voltammetry method. The reactivity of the catalysts prepared towards ethanol electrooxidation reaction (EOR) was studied in alkaline medium at various temperatures and under other conditions that practical fuel cells operate. Significant activity enhancements were observed for the Bi-modified THH Pd NCs with an optimum Bi coverage (θBi) of around 0.68 being obtained. Furthermore, it was found that increasing temperature from 25 ºC to 60 ºC enhances the reactivity significantly. The general kinetics data of EOR on Bi-decorated and bare THH Pd NCs have also been obtained, from the activation energy calculated based on Arrhenius plots, and compared. At the optimum Bi coverage, an enhancement in the activity of almost 3 times was achieved, and the corresponding activation energy was found to be reduced significantly.

Highly Electrocatalytic Activity of RuO2 Nanocrystals for Triiodide Reduction in Dye-Sensitized Solar Cells

Dye-sensitized solar cells (DSCs) are promising alternatives to conventional silicon devices because of their simple fabrication procedure, low cost, and high efficiency. Platinum is generally used as a superior counter electrode (CE) material, but the disadvantages such as high cost and low abundance greatly restrict the large-scale application of DSCs. An efficient and sustainable way to overcome the limited supply of Pt is the development of high-efficiency Pt-free CE materials, which should possess both high electrical conductivity and superior electrocatalytic activity simultaneously. Herein, for the first time, a two-step strategy to synthesize ruthenium dioxide (RuO2) nanocrystals is reported, and it is shown that RuO2 catalysts exhibit promising electrocatalytic activity towards triiodide reduction, which results in comparable energy conversion efficiency to that of conventional Pt CEs. More importantly, by virtue of first-principles calculations, the catalytic mechanism of electrocatalysis for triiodide reduction on various CEs is investigated systematically and it is found that the electrochemical triiodide reduction reaction on RuO2 catalyst surfaces can be enhanced significantly, owing to the ideal combination of good electrocatalytic activity and high electrical conductivity.

Facet-Dependent Catalytic Activity of Platinum Nanocrystals for Triiodide Reduction in Dye-Sensitized Solar Cells

Platinum (Pt) nanocrystals have demonstrated to be an effective catalyst in many heterogeneous catalytic processes. However, pioneer facets with highest activity have been reported differently for various reaction systems. Although Pt has been the most important counter electrode material for dye-sensitized solar cells (DSCs), suitable atomic arrangement on the exposed crystal facet of Pt for triiodide reduction is still inexplicable. Using density functional theory, we have investigated the catalytic reaction processes of triiodide reduction over {100}, {111} and {411} facets, indicating that the activity follows the order of Pt(111) > Pt(411) > Pt(100). Further, Pt nanocrystals mainly bounded by {100}, {111} and {411} facets were synthesized and used as counter electrode materials for DSCs. The highest photovoltaic conversion efficiency of Pt(111) in DSCs confirms the predictions of the theoretical study. These findings have deepened the understanding of the mechanism of triiodide reduction at Pt surfaces and further screened the best facet for DSCs successfully.

Lanthanide oxide nanotubes and nanorods: synthesis, processing, luminescence and catalytic properties

Esta tese relata estudos de síntese, caracterização da estrutura e das propriedades de fotoluminescência e aplicações de nanotubos e nanobastonetes de óxidos de lantanídeos em pontas para microscopia de força atómica, catálise heterogénea e compósitos de base polimérica. Há um interesse crescente em compreender como o confinamento quântico decorrente da redução do tamanho de partícula pode influenciar a eficiência da luminescência, a dinâmica dos estados excitados, a transferência de energia e os efeitos de termalização de nanoluminóforos. Em nanocristais dopados com lantanídeos (Ln3+), e apesar da localização dos estados 4f, ocorrem efeitos de confinamento quântico via interacção com os modos vibracionais da rede. Em particular, a termalização anómala, descrita para uma variedade de nanocristais dopados com Ln3+, tem sido atribuída à ausência de modos vibracionais de menor frequência. Este nanoconfinamento pode ter impacto na dinâmica da luminescência, bem como na transferência de energia mediada por modos vibracionais e processos de upconversion. Nesta tese, relata-se o estudo deste efeito em nanotubos de Gd2O3:Eu3+. A influência de parâmetros como a concentração de európio e as condições de calcinação também foi investigada. Algumas aplicações destes óxidos de lantanídeos também foram exploradas, nomeadamente a modificação de pontas usadas em microscopia de força atómica com nanobastonetes de Gd2O3:Eu3+, lograda através de dielectroforese, técnica que não degrada a emissão de luz (rendimento quântico 0.47). As pontas modificadas são estáveis sob condições de trabalho, podendo ser aplicadas, por exemplo, em microscopia óptica de varrimento de campo próximo (SNOM). A oxidação em fase líquida do etilbenzendo foi investigada usando como catalisador nanotubos de CeO2, em presença dos oxidantes hidroperóxido de t-butilo e H2O2, e do solvente acetonitrilo, e temperaturas entre 55 e 105 ºC. Nanobastonetes de Gd2O3:Eu3+ recobertos com sílica foram preparados pelo método sol-gel. Esta cobertura resultou num aumento, quer do rendimento quântico de emissão, de 0.51 para 0.86 (excitação a 255 nm), quer dos tempos de vida,de 1.43 para 1.80 ms (excitação a 394.4 nm). A superfície dos nanotubos cobertos com sílica foi modificada com o agente de acoplamento metacrilato de 3-(trimetoxissilil)propilo que permitiu a preparação de compósitos através da subsequente polimerização in-situ do estireno por técnicas de miniemulsão e solução. ABSTRACT: This thesis reports on the synthesis, characterisation of the structure and photoluminescence properties, and applications of nanotubes and nanorods of lanthanides oxides in atomic force microscopy tips, heterogeneous catalysis and polymer-base composites. There is a growing interest in understanding how size-dependent quantum confinement affects the photoluminescence efficiency, excited-state dynamics, energy-transfer and thermalisation phenomena in nanophosphors. For lanthanide (Ln3+)-doped nanocrystals, and despite the localisation of the 4f states, confinement effects are induced mostly via electron-phonon interactions. In particular, the anomalous thermalisation reported for a handful of Ln3+-doped nanocrystals has been rationalised by the absence of lowfrequency phonon modes. This nanoconfinement may further impact on the Ln3+ luminescence dynamics, such as phonon-assisted energy transfer or upconversion processes. Here, this effect is investigated in Gd2O3:Eu3+ nanotubes. The influence of parameters such as europium concentration and calcination procedure is also studied. Some applications of these lanthanides oxides have been explored, for instance the modification of atomic force microscopy tips with photoluminescent Gd2O3:Eu3+ nanorods, using dielectrophoresis, a technique which preserves the red emission of the nanorods (quantum yield 0.47). The modified tips are stable under working conditions and may find applications in scanning near-field optical microscopy. The liquid-phase oxidation of ethylbenzene over CeO2 nanotubes has been investigated, using tert-butyl-hydroperoxide and H2O2 as the oxidising agents, and acetonitrile as the solvent, in the range 55-105 ºC. Gd2O3:Eu3+ nanorods have been coated with silica via a sol-gel approach. The silica coating increases both, the Eu3+ absolute emission quantum yields from 0.51 to 0.86 (255 nm excitation), and decay times from 1.43 to 1.80 ms (394.4 nm excitation). The silica coating was modified with 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate and, subsequently, composites have been prepared by in-situ radical polymerisation of styrene via miniemulsion and solution routes.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Nonaqueous sol-gel routes to doped metal oxide nanoparticles: synthesis, characterization, assembly and properties

The results presented in this thesis have been achieved under the Ph.D. project entitled “Nonaqueous Sol-Gel routes to doped metal oxide nanoparticles: Synthesis, characterization, assembly and properties”. The purpose of this study is the investigation of metal oxide nanostructures doped with metals of a diverse nature, leading to different type of applications. The easier control over the reaction kinetics in solvothermal routes, compared to aqueous methods, allows to better match the reactivity between metal oxide precursors, paving the way to a facile and low temperature production of doped oxides. In this manuscript diverse examples of the exploitation of the “Benzyl Alcohol Route” are discussed. Such a powerful pathway was utilized for the synthesis of transition metal doped zirconia, hafnia and various perovskites, and the study of their magnetic properties, as well as the synthesis of rare earth doped zirconium oxide. A further extension, proving the solidity of the synthetic method, is shown for the preparation of Li4Ti5O12 nanocrystals carrying excellent electrochemical properties for lithium-ion battery applications. Finally, the effect of doping and other reaction parameters on the assembly of the nanocrystals is discussed. These studies were carried out principally at the University of Aveiro, as well as at the University of Montpellier II and at the Seoul National University due to complementary available expertises and equipments.

Lanthanide oxide and phosphate nanoparticles for thermometry and bimodal imaging

Nesta tese relatam-se estudos de fotoluminescência de nanopartículas de óxidos e fosfatos dopados com iões trivalentes de lantanídeos, respectivamente, nanobastonetes de (Gd,Eu)2O3 e (Gd,Yb,Er)2O3 e nanocristais de (Gd,Yb,Tb)PO4, demonstrando-se também aplicações destes materiais em revestimentos inteligentes, sensores de temperatura e bioimagem. Estuda-se a transferência de energia entre os sítios de Eu3+ C2 e S6 dos nanobastonetes Gd2O3. A contribuição dos mecanismos de transferência de energia entre sítios para o tempo de subida 5D0(C2) é descartada a favor da relaxação directa 5D1(C2) 5D0(C2) (i.e., transferência de energia entre níveis). O maior tempo de decaimento do nível 5D0(C2) nos nanobastonetes, relativamente ao valor medido para o mesmo material na forma de microcristais, é atribuído, quer à existência de espaços livres entre nanobastonetes próximos (factor de enchimento ou fracção volúmica), quer à variação do índice de refracção efectivo do meio em torno dos iões Eu3+. A dispersão de nanobastonetes de (Gd,Eu)2O3 em três resinas epoxi comerciais através da cura por UV permite obter nanocompósitos epoxi- (Gd,Eu)2O3. Relatam-se estudos cinéticos e das propriedades térmicas e de fotoluminescência destes nanocompósitos. Estes, preservam as típicas propriedades de emissão do Eu3+, mostrando o potencial do método de cura por UV para obter revistimentos inteligentes e fotoactivos. Considera-se um avanço significativo a realização de uma nanoplataforma óptica, incorporando aquecedor e termómetro e capaz de medir uma ampla gama de temperaturas (300-2000 K) à escala nano, baseada em nanobastonetes de (Gd,Yb,Er)2O3 (termómetros) cuja superfície se encontra revestida com nanopartículas de ouro. A temperature local é calculada usando, quer a distribuição de Boltzmann (300-1050 K) do rácio de intensidades da conversão ascendente 2H11=2!4I15=2/4S3=2!4I15=2, quer a lei de Planck (1200-2000 K) para uma emissão de luz branca atribuída à radiação do corpo negro. Finalmente, estudam-se as propriedades de fotoluminescência correspondentes às conversões ascendente e descendente de energia em nanocristais de (Gd,Yb,Tb)PO4 sintetizados por via hidrotérmica. A relaxividade (ressonância magnética) do 1H destes materiais são investigadas, tendo em vista possíveis aplicações em imagem bimodal (luminescência e ressonância magnética nuclear).

Investigation of femtosecond laser technology for the fabrication of drug nanocrystals in suspension

La technique du laser femtoseconde (fs) a été précédemment utilisée pour la production de nanoparticules d'or dans un environnement aqueux biologiquement compatible. Au cours de ce travail de maîtrise, cette méthode a été investiguée en vue d'une application pour la fabrication de nanocristaux de médicament en utilisant le paclitaxel comme modèle. Deux procédés distincts de cette technologie à savoir l'ablation et la fragmentation ont été étudiés. L'influence de la puissance du laser, de point de focalisation, et de la durée du traitement sur la distribution de taille des particules obtenues ainsi que leur intégrité chimique a été évaluée. Les paramètres ont ainsi été optimisés pour la fabrication des nanoparticules. L’évaluation morphologique et chimique a été réalisée par microscopie électronique et spectroscopie infrarouge respectivement. L'état cristallin des nanoparticules de paclitaxel a été caractérisé par calorimétrie differentielle et diffraction des rayons X. L'optimisation du procédé de production de nanoparticules par laser fs a permis d'obtenir des nanocristaux de taille moyenne (400 nm, polydispersité ≤ 0,3). Cependant une dégradation non négligeable a été observée. La cristallinité du médicament a été maintenue durant la procédure de réduction de taille, mais le paclitaxel anhydre a été transformé en une forme hydratée. Les résultats de cette étude suggèrent que le laser fs peut générer des nanocristaux de principe actif. Cependant cette technique peut se révéler problématique pour des médicaments sensibles à la dégradation. Grâce à sa facilité d'utilisation et la possibilité de travailler avec des quantités restreintes de produit, le laser fs pourrait représenter une alternative valable pour la production de nanoparticules de médicaments peu solubles lors des phases initiales de développement préclinique. Mots-clés: paclitaxel, nanocristaux, laser femtoseconde, ablation, fragmentation

Growth and Characterization of ZnO based Heterojunction diodes and ZnO Nanostructuresby Pulsed Laser Ablation

Transparent conducting oxides (TCO’s) have been known and used for technologically important applications for more than 50 years. The oxide materials such as In2O3, SnO2 and impurity doped SnO2: Sb, SnO2: F and In2O3: Sn (indium tin oxide) were primarily used as TCO’s. Indium based oxides had been widely used as TCO’s for the past few decades. But the current increase in the cost of indium and scarcity of this material created the difficulty in obtaining low cost TCO’s. Hence the search for alternative TCO material has been a topic of active research for the last few decades. This resulted in the development of various binary and ternary compounds. But the advantages of using binary oxides are the easiness to control the composition and deposition parameters. ZnO has been identified as the one of the promising candidate for transparent electronic applications owing to its exciting optoelectronic properties. Some optoelectronics applications of ZnO overlap with that of GaN, another wide band gap semiconductor which is widely used for the production of green, blue-violet and white light emitting devices. However ZnO has some advantages over GaN among which are the availability of fairly high quality ZnO bulk single crystals and large excitonic binding energy. ZnO also has much simpler crystal-growth technology, resulting in a potentially lower cost for ZnO based devices. Most of the TCO’s are n-type semiconductors and are utilized as transparent electrodes in variety of commercial applications such as photovoltaics, electrochromic windows, flat panel displays. TCO’s provide a great potential for realizing diverse range of active functions, novel functions can be integrated into the materials according to the requirement. However the application of TCO’s has been restricted to transparent electrodes, ii notwithstanding the fact that TCO’s are n-type semiconductors. The basic reason is the lack of p-type TCO, many of the active functions in semiconductor originate from the nature of pn-junction. In 1997, H. Kawazoe et al reported the CuAlO2 as the first p-type TCO along with the chemical design concept for the exploration of other p-type TCO’s. This has led to the fabrication of all transparent diode and transistors. Fabrication of nanostructures of TCO has been a focus of an ever-increasing number of researchers world wide, mainly due to their unique optical and electronic properties which makes them ideal for a wide spectrum of applications ranging from flexible displays, quantum well lasers to in vivo biological imaging and therapeutic agents. ZnO is a highly multifunctional material system with highly promising application potential for UV light emitting diodes, diode lasers, sensors, etc. ZnO nanocrystals and nanorods doped with transition metal impurities have also attracted great interest, recently, for their spin-electronic applications This thesis summarizes the results on the growth and characterization of ZnO based diodes and nanostructures by pulsed laser ablation. Various ZnO based heterojunction diodes have been fabricated using pulsed laser deposition (PLD) and their electrical characteristics were interpreted using existing models. Pulsed laser ablation has been employed to fabricate ZnO quantum dots, ZnO nanorods and ZnMgO/ZnO multiple quantum well structures with the aim of studying the luminescent properties.