Atomic layer structure of vanadium oxide nanotubes grown on nanourchin structures

We report the detailed characterization of high quality vanadium oxide (VOx) nanotubes (NTs) and highlight the zipping of adjacent vanadate layers in such NTs formed on remarkable nanourchin structures. These nanostructures consist of high-density spherical radial arrays of NTs. The results evidence vanadate NTs with unprecedented uniformity and evidences the first report of vanadate atomic layer zipping. The NTs are ∼2 μm in length with inner diameters of 20-30 nm. The tube walls comprise scrolled triplet-layers of vanadate intercalated with organic surfactant. Such high-volume structures might be useful as open-access electrolyte scaffolds for lithium insertion-based charge storage devices.

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.

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.

Role of charge in destabilizing AlH4 and BH4 complex anions for hydrogen storage applications : Ab initio density functional calculations

NaAlH4 and LiBH4 are potential candidate materials for mobile hydrogen storage applications, yet they have the drawback of being highly stable and desorbing hydrogen only at elevated temperatures. In this letter, ab initio density functional theory calculations reveal how the stabilities of the AlH4 and BH4 complex anions will be affected by reducing net anionic charge. Tetrahedral AlH4 and BH4 complexes are found to be distorted with the decrease of negative charge. One H-H distance becomes smaller and the charge density will overlap between them at a small anion charge. The activation energies to release of H2 from AlH4 and BH4 complexes are thus greatly decreased. We demonstrate that point defects such as neutral Na vacancies or substitution of a Na atom with Ti on the NaAlH4(001) surface can potentially cause strong distortion of neighboring AlH4 complexes and even induce spontaneous dehydrogenation. Our results help to rationalize the conjecture that the suppression of charge transfer to AlH4 and BH4 anion as a consequence of surface defects should be very effective for improving the recycling performance of H2 in NaAlH4 and LiBH4. The understanding gained here will aid in the rational design and development of hydrogen storage materials based on these two systems.

Nanoherding : plasma-chemical synthesis and electric-charge-driven self organization of SiO2 nanodots

We report on the chemical synthesis of the arrays of silicon oxide nanodots and their self-organization on the surface via physical processes triggered by surface charges. The method based on chemically active oxygen plasma leads to the rearrangement of nanostructures and eventually to the formation of groups of nanodots. This behavior is explained in terms of the effect of electric field on the kinetics of surface processes. The direct measurements of the electric charges on the surface demonstrate that the charge correlates with the density and arrangement of nanodots within the array. Extensive numerical simulations support the proposed mechanism and prove a critical role of the electric charges in the self-organization. This simple and environment-friendly self-guided process could be used in the chemical synthesis of large arrays of nanodots on semiconducting surfaces for a variety of applications in catalysis, energy conversion and storage, photochemistry, environmental and biosensing, and several others.

Possible mechanism of charge transport and dielectric relaxation in SrO-Bi2O3-B2O3 glasses

Transparent SrBi2B2O7 glasses were prepared via melt-quenching technique and characterized using differential scanning calorimetry and x-ray powder diffraction. The ac conductivities of the glasses were studied as a function of frequency (100 Hz-10 MHz) at different temperatures. The frequency dependence of conductivity has been analyzed using Almond-West expression. The exponent n was nearly unaffected by temperature. Impedance and modulus spectroscopies were employed to further examine the electrical data. Dielectric relaxation exhibited a stretched exponential behavior with a stretching exponent beta independent of temperature. From conductivity analysis we have proposed that the charge transport occurs through the participation of nonbridging oxygen (NBO), which switches positions in a facile manner. The stretched exponential behavior appears to be a direct consequence of the NBO switching mechanism of charge transport.

Enhancement of charge and energy storage in sol-gel derived pure and La-modified PbZrO3 thin films

Antiferroelectric lanthanum-modified PbZrO3 thin films with La contents between 0 and 6 at. % have been deposited on Pt(111)/Ti/SiO2/Si substrate by sol-gel route. On the extent of La-modification, maximum polarization (Pmax) and recoverable energy density (W) have been enhanced followed by their subsequent reduction. A maximum Pmax ( ∼ 0.54 C/m2 at ∼ 60 MV/m) as well as a maximum W ( ∼ 14.9 J/cc at ∼ 60 MV/m) have been achieved on 5% La modification. Both Pmax and W have been found to be strongly dependent on La-induced crystallographic orientations.

Na0.33V2O5 center dot 1.5H(2)O nanorings/nanorods and Na0.33V2O5 center dot 1.5H(2)O/RGO composite fabricated by a facile one pot synthesis and its lithium storage behavior

In this work, Na0.33V2O5 center dot 1.5H(2)O nanorings/nanorods and Na0.33V2O5 center dot 1.5H(2)O/reduced graphene oxide (RGO) composites have been prepared through a facile hydrothermal route in acidic medium at 200 degrees C for 2 days. The hydrothermally derived products have been characterized by powder X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), Raman spectroscopy, UV-Visible spectroscopy, Thermogravimetric analysis (TGA), Field emission scanning electron microscopy (FESEM), Transmission electron microscopy (TEM) and electrochemical discharge-charge cycling in lithium ion battery. XRD pattern exhibits the layered structure of Na0.33V2O5 center dot 1.5H(2)O and the composite shows the presence of RGO at 2 theta = 25.8 degrees. FTIR spectrum shows that the band at 760 cm(-1) could be assigned to a V-OH2 stretching mode due to coordinated water. Raman spectrum shows that the band at 264 cm(-1) is due to the presence of water molecules between the layers. FESEM/TEM micrographs reveal that the products consist of nanorings of inner diameter 5 mu m and thickness of the ring is found to be 200-300 nm. Addition of exfoliated graphene oxide (EGO) destroys the formation of rings. The reduction of EGO sheets into RGO is also evidenced by the red shift of the absorbance peak from 228 nm to 264 nm. In this composite Na0.33V2O5 center dot 1.5H(2)O nanorods may adhere to the surface of RGO and/or embedded in the RGO nanosheets. As a result, an effective three-dimensional conducting network was formed by bridging RGO nanosheets, which can facilitate electron transport effectively and thus improve the kinetics and rate performance of Na0.33V2O5 center dot 1.5H(2)O nanorings/nanorods. The Na0.33V2O5 center dot 1.5H(2)O/RGO composites exhibited a discharge capacity of 340 mAh g(-1) at a current density of 0.1 mA g(-1) and also an improved cyclic stability. RGO plays a `flexible confinement' function to enwrap Na0.33V2O5 center dot 1.5H(2)O nanorods, which can compensate for the volume change and prevent the detachment and agglomeration of pulverized Na0.33V2O5 center dot 1.5H(2)O, thus extending the cycling life of the electrode. A probable reaction mechanism for the formation of Na0.33V2O5 center dot 1.5H(2)O nanorings is also discussed. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Optical energy storage properties of Sr(2)MgSi(2)O(7):Eu(2+),R(3+) persistent luminescence materials

The details of the mechanism of persistent luminescence were probed by investigating the trap level structure of Sr(2)MgSi(2)O(7):Eu(2+),R(3+) materials (R: Y, La-Lu, excluding Pm and Eu) with thermoluminescence (TL) measurements and Density Functional Theory (DFT) calculations. The TL results indicated that the shallowest traps for each Sr(2)MgSi(2)O(7):Eu(2+),R(3+) material above room temperature were always ca. 0.7 eV corresponding to a strong TL maximum at ca. 90 A degrees C. This main trap energy was only slightly modified by the different co-dopants, which, in contrast, had a significant effect on the depths of the deeper traps. The combined results of the trap level energies obtained from the experimental data and DFT calculations suggest that the main trap responsible for the persistent luminescence of the Sr(2)MgSi(2)O(7):Eu(2+),R(3+) materials is created by charge compensation lattice defects, identified tentatively as oxygen vacancies, induced by the R(3+) co-dopants.

Mechanism of charge transport in castor oil-based polyurethane/carbon black composite (PU/CB)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Electron spectroscopy of novel charge transfer systems based on polycyclic aromatic hydrocarbons

Organische Ladungstransfersysteme weisen eine Vielfalt von konkurrierenden Wechselwirkungen zwischen Ladungs-, Spin- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dies führt zu interessanten physikalischen Eigenschaften, wie metallische Leitfähigkeit, Supraleitung und Magnetismus. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der elektronischen Struktur von organischen Ladungstransfersalzen aus drei Material-Familien. Dabei kamen unterschiedliche Photoemissions- und Röntgenspektroskopietechniken zum Einsatz. Die untersuchten Moleküle wurden z.T. im MPI für Polymerforschung synthetisiert. Sie stammen aus der Familie der Coronene (Donor Hexamethoxycoronen HMC und Akzeptor Coronen-hexaon COHON) und Pyrene (Donor Tetra- und Hexamethoxypyren TMP und HMP) im Komplex mit dem klassischen starken Akzeptor Tetracyanoquinodimethan (TCNQ). Als dritte Familie wurden Ladungstransfersalze der k-(BEDT-TTF)2X Familie (X ist ein monovalentes Anion) untersucht. Diese Materialien liegen nahe bei einem Bandbreite-kontrollierten Mottübergang im Phasendiagramm.rnFür Untersuchungen mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) wurden UHV-deponierte dünne Filme erzeugt. Dabei kam ein neuer Doppelverdampfer zum Einsatz, welcher speziell für Milligramm-Materialmengen entwickelt wurde. Diese Methode wies im Ladungstransferkomplex im Vergleich mit der reinen Donor- und Akzeptorspezies energetische Verschiebungen von Valenzzuständen im Bereich weniger 100meV nach. Ein wichtiger Aspekt der UPS-Messungen lag im direkten Vergleich mit ab-initio Rechnungen.rnDas Problem der unvermeidbaren Oberflächenverunreinigungen von lösungsgezüchteten 3D-Kristallen wurde durch die Methode Hard-X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES) bei Photonenenergien um 6 keV (am Elektronenspeicherring PETRA III in Hamburg) überwunden. Die große mittlere freie Weglänge der Photoelektronen im Bereich von 15 nm resultiert in echter Volumensensitivität. Die ersten HAXPES Experimente an Ladungstransferkomplexen weltweit zeigten große chemische Verschiebungen (mehrere eV). In der Verbindung HMPx-TCNQy ist die N1s-Linie ein Fingerabdruck der Cyanogruppe im TCNQ und zeigt eine Aufspaltung und einen Shift zu höheren Bindungsenergien von bis zu 6 eV mit zunehmendem HMP-Gehalt. Umgekehrt ist die O1s-Linie ein Fingerabdruck der Methoxygruppe in HMP und zeigt eine markante Aufspaltung und eine Verschiebung zu geringeren Bindungsenergien (bis zu etwa 2,5eV chemischer Verschiebung), d.h. eine Größenordnung größer als die im Valenzbereich.rnAls weitere synchrotronstrahlungsbasierte Technik wurde Near-Edge-X-ray-Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie am Speicherring ANKA Karlsruhe intensiv genutzt. Die mittlere freie Weglänge der niederenergetischen Sekundärelektronen (um 5 nm). Starke Intensitätsvariationen von bestimmten Vorkanten-Resonanzen (als Signatur der unbesetzte Zustandsdichte) zeigen unmittelbar die Änderung der Besetzungszahlen der beteiligten Orbitale in der unmittelbaren Umgebung des angeregten Atoms. Damit war es möglich, präzise die Beteiligung spezifischer Orbitale im Ladungstransfermechanismus nachzuweisen. Im genannten Komplex wird Ladung von den Methoxy-Orbitalen 2e(Pi*) und 6a1(σ*) zu den Cyano-Orbitalen b3g und au(Pi*) und – in geringerem Maße – zum b1g und b2u(σ*) der Cyanogruppe transferiert. Zusätzlich treten kleine energetische Shifts mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Donor- und Akzeptor-Resonanzen auf, vergleichbar mit den in UPS beobachteten Shifts.rn

Charge induced enhancement of adsorption for hydrogen storage materials

The rising concerns about environmental pollution and global warming have facilitated research interest in hydrogen energy as an alternative energy source. To apply hydrogen for transportations, several issues have to be solved, within which hydrogen storage is the most critical problem. Lots of materials and devices have been developed; however, none is able to meet the DOE storage target. The primary issue for hydrogen physisorption is a weak interaction between hydrogen and the surface of solid materials, resulting negligible adsorption at room temperature. To solve this issue, there is a need to increase the interaction between the hydrogen molecules and adsorbent surface. In this study, intrinsic electric dipole is investigated to enhance the adsorption energy. The results from the computer simulation of single ionic compounds with hydrogen molecules to form hydrogen clusters showed that electrical charge of substances plays an important role in generation of attractive interaction with hydrogen molecules. In order to further examine the effects of static interaction on hydrogen adsorption, activated carbon with a large surface area was impregnated with various ionic salts including LiCl, NaCl, KCl, KBr, and NiCl and their performance for hydrogen storage was evaluated by using a volumetric method. Corresponding computer simulations have been carried out by using DFT (Density Functional Theory) method combined with point charge arrays. Both experimental and computational results prove that the adsorption capacity of hydrogen and its interaction with the solid materials increased with electrical dipole moment. Besides the intrinsic dipole, an externally applied electric field could be another means to enhance hydrogen adsorption. Hydrogen adsorption under an applied electric field was examined by using porous nickel foil as electrodes. Electrical signals showed that adsorption capacity increased with the increasing of gas pressure and external electric voltage. Direct measurement of the amount of hydrogen adsorption was also carried out with porous nickel oxides and magnesium oxides using the piezoelectric material PMN-PT as the charge supplier due to the pressure. The adsorption enhancement from the PMN-PT generated charges is obvious at hydrogen pressure between 0 and 60 bars, where the hydrogen uptake is increased at about 35% for nickel oxide and 25% for magnesium oxide. Computer simulation reveals that under the external electric field, the electron cloud of hydrogen molecules is pulled over to the adsorbent site and can overlap with the adsorbent electrons, which in turn enhances the adsorption energy Experiments were also carried out to examine the effects of hydrogen spillover with charge induced enhancement. The results show that the overall storage capacity in nickel oxide increased remarkably by a factor of 4.