Perfil de índices de refração do cristalino humano: simulação computacional

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Abscheidung und Charakterisierung von Plasmapolymerschichten auf Fluorkohlenstoff- und Siloxan-Basis

In dieser Arbeit wurden Fluorkohlenstoff-basierte und siliziumorganische Plasmapolymerfilme hergestellt und hinsichtlich ihrer strukturellen und funktionalen Eigenschaften untersucht. Beide untersuchten Materialsysteme sind in der Beschichtungstechnologie von großem wissenschaftlichen und anwendungstechnischen Interesse. Die Schichtabscheidung erfolgte mittels plasmachemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) an Parallelplattenreaktoren. Bei den Untersuchungen zur Fluorkohlenstoff-Plasmapolymerisation stand die Herstellung ultra-dünner, d. h. weniger als 5 nm dicker Schichten im Vordergrund. Dies wurde durch gepulste Plasmaanregung und Verwendung eines Gasgemisches aus Trifluormethan (CHF3) und Argon realisiert. Die Bindungsstruktur der Schichten wurden in Abhängigkeit der eingespeisten Leistung, die den Fragmentationsgrad der Monomere im Plasma bestimmt, analysiert. Hierzu wurden die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) und Röntgenreflektometrie (XRR) eingesetzt. Es zeigte sich, dass die abgeschiedenen Schichten ein homogenes Wachstumsverhalten und keine ausgeprägten Interfacebereiche zum Substrat und zur Oberfläche hin aufweisen. Die XPS-Analysen deuten darauf hin, dass Verkettungsreaktionen von CF2-Radikalen im Plasma eine wichtige Rolle für den Schichtbildungsprozess spielen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der gewählte Beschichtungsprozess eine gezielte Reduzierung der Benetzbarkeit verschiedener Substrate ermöglicht. Dabei genügen Schichtdicken von weniger als 3 nm zur Erreichung eines teflonartigen Oberflächencharakters mit Oberflächenenergien um 20 mN/m. Damit erschließen sich neue Applikationsmöglichkeiten ultra-dünner Fluorkohlenstoffschichten, was anhand eines Beispiels aus dem Bereich der Nanooptik demonstriert wird. Für die siliziumorganischen Schichten unter Verwendung des Monomers Hexamethyldisiloxan (HMDSO) galt es zunächst, diejenigen Prozessparameter zu identifizieren, die ihren organischen bzw. glasartigen Charakter bestimmen. Hierzu wurde der Einfluss von Leistungseintrag und Zugabe von Sauerstoff als Reaktivgas auf die Elementzusammensetzung der Schichten untersucht. Bei niedrigen Plasmaleistungen und Sauerstoffflüssen werden vor allem kohlenstoffreiche Schichten abgeschieden, was auf eine geringere Fragmentierung der Kohlenwasserstoffgruppen zurückgeführt wurde. Es zeigte sich, dass die Variation des Sauerstoffanteils im Prozessgas eine sehr genaue Steuerbarkeit der Schichteigenschaften ermöglicht. Mittels Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS) konnte die prozesstechnische Realisierbarkeit und analytische Quantifizierbarkeit von Wechselschichtsystemen aus polymerartigen und glasartigen Lagen demonstriert werden. Aus dem Intensitätsverhältnis von Si:H-Molekülen zu Si-Atomen im SNMS-Spektrum ließ sich der Wasserstoffgehalt bestimmen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch Abscheidung von HMDSO-basierten Gradientenschichten eine deutliche Reduzierung von Reibung und Verschleiß bei Elastomerbauteilen erzielt werden kann.

Functional polymer coatings — My-Patterning and My-Analysis

In dieser Arbeit werden Strukturen beschrieben, die mit Polymeren auf Oberflächen erzeugt wurden. Die Anwendungen reichen von PMMA und PNIPAM Polymerbürsten, über die Restrukturierung von Polystyrol durch Lösemittel bis zu 3D-Strukturen, die aus PAH/ PSS Polyelektrolytmultischichten bestehen. Im ersten Teil werden Polymethylmethacrylat (PMMA) Bürsten in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophospat ([Bmim][PF6]) durch kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) hergestellt. Kinetische Untersuchungen zeigten ein lineares und dichtes Bürstenwachstum mit einer Wachstumsrate von 4600 g/mol pro nm. Die durchschnittliche Pfropfdichte betrug 0.36 µmol/m2. Als Anwendung wurden Mikrotropfen bestehend aus der ionischen Flüssigkeit, Dimethylformamid und dem ATRP-Katalysator benutzt, um in einer definierten Geometrie Polymerbürsten auf Silizium aufzubringen. Auf diese Weise lässt sich eine bis zu 13 nm dicke Beschichtung erzeugen. Dieses Konzept ist durch die Verdampfung des Monomers Methylmethacrylat (MMA) limitiert. Aus einem 1 µl großen Tropfen aus ionischer Flüssigkeit und MMA (1:1) verdampft MMA innerhalb von 100 s. Daher wurde das Monomer sequentiell zugegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Strukturierung von Oberflächen mit Hilfe einer neuen Methode: Tintendruck. Ein piezoelektrisch betriebenes „Drop-on-Demand“ Drucksystem wurde verwendet, um Polystyrol mit 0,4 nl Tropfen aus Toluol zu strukturieren. Die auf diese Art und Weise gebildeten Mikrokrater können Anwendung als Mikrolinsen finden. Die Brennweite der Mikrolinsen kann über die Anzahl an Tropfen, die für die Strukturierung verwendet werden, eingestellt werden. Theoretisch und experimentell wurde die Brennweite im Bereich von 4,5 mm bis 0,21 mm ermittelt. Der zweite Strukturierungsprozess nutzt die Polyelektrolyte Polyvinylamin-Hydrochlorid (PAH) und Polystyrolsulfonat (PSS), um 3D-Strukturen wie z.B. Linien, Schachbretter, Ringe, Stapel mit einer Schicht für Schicht Methode herzustellen. Die Schichtdicke für eine Doppelschicht (DS) liegt im Bereich von 0.6 bis 1.1 nm, wenn NaCl als Elektrolyt mit einer Konzentration von 0,5 mol/l eingesetzt wird. Die Breite der Strukturen beträgt im Mittel 230 µm. Der Prozess wurde erweitert, um Nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) zu beschichten. Auf einem Array bestehend aus acht Cantilevern wurden je zwei Cantilever mit fünf Doppelschichten PAH/ PSS und je zwei Cantilever mit zehn Doppelschichten PAH/ PSS schnell und reproduzierbar beschichtet. Die Massenänderung für die individuellen Cantilever war 0,55 ng für fünf Doppelschichten und 1,08 ng für zehn Doppelschichten. Der daraus resultierende Sensor wurde einer Umgebung mit definierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Cantilever verbiegen sich durch die Ausdehnung der Beschichtung, da Wasser in das Polymer diffundiert. Eine maximale Verbiegung von 442 nm bei 80% Luftfeuchtigkeit wurde für die mit zehn Doppelschichten beschichteten Cantilever gefunden. Dies entspricht einer Wasseraufnahme von 35%. Zusätzlich konnte aus den Verbiegungsdaten geschlossen werden, dass die Elastizität der Polyelektrolytmultischichten zunimmt, wenn das Polymer gequollen ist. Das thermische Verhalten in Wasser wurde im nächsten Teil an nanomechanischen Cantilever Sensoren, die mit Poly(N-isopropylacrylamid)bürsten (PNIPAM) und plasmapolymerisiertem N,N-Diethylacrylamid beschichtet waren, untersucht. Die Verbiegung des Cantilevers zeigte zwei Bereiche: Bei Temperaturen kleiner der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) ist die Verbiegung durch die Dehydration der Polymerschicht dominiert und bei Temperaturen größer der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) reagiert der Cantilever Sensor überwiegend auf Relaxationsprozesse innerhalb der kollabierten Polymerschicht. Es wurde gefunden, dass das Minimum in der differentiellen Verbiegung mit der niedrigsten kritischen Temperatur von 32°C und 44°C der ausgewählten Polymeren übereinstimmt. Im letzten Teil der Arbeit wurden µ-Reflektivitäts- und µ-GISAXS Experimente eingeführt als neue Methoden, um mikrostrukturierte Proben wie NCS oder PEM Linien mit Röntgenstreuung zu untersuchen. Die Dicke von jedem individuell mit PMMA Bürsten beschichtetem NCS ist im Bereich von 32,9 bis 35,2 nm, was mit Hilfe von µ-Reflektivitätsmessungen bestimmt wurde. Dieses Ergebnis kann mit abbildender Ellipsometrie als komplementäre Methode mit einer maximalen Abweichung von 7% bestätigt werden. Als zweites Beispiel wurde eine gedruckte Polyelektrolytmultischicht aus PAH/PSS untersucht. Die Herstellungsprozedur wurde so modifiziert, dass Goldnanopartikel in die Schichtstruktur eingebracht wurden. Durch Auswertung eines µ-GISAXS Experiments konnte der Einbau der Partikel identifiziert werden. Durch eine Anpassung mit einem Unified Fit Modell wurde herausgefunden, dass die Partikel nicht agglomeriert sind und von einer Polymermatrix umgeben sind.

Fabricación y caracterización de wolframio nanoestructurado como material de primera pared en reactores de fusión nuclear

El trabajo que se llevará a cabo se basa en el desarrollo de nuevos materiales que sean capaces de resistir las condiciones extremas a las que estarían expuestos en el interior de un reactor de fusión nuclear, como son los altos choques térmicos y los altos flujos iónicos. Actualmente se está investigando en el potencial del wolframio nanoestructurado como material de primera pared (en inglés PFM: Plasma Facing Material). La principal ventaja de éste frente al wolframio masivo radica en su gran densidad de fronteras de grano que hacen que el material sea más resistente a la irradiación. El objetivo de este trabajo será la búsqueda de las condiciones óptimas para la fabricación de recubrimientos de wolframio nanoestructurado mediante la técnica de pulverización catódica ("sputtering") en diferentes configuraciones, continuo ("Direct Current Magnetron Sputtering" o DCMS) y/o pulsado ("High Power Impulse Magnetron Sputtering" o HiPIMS) y caracterizar sus propiedades como PFM mediante perfilometría, microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido ("Scanning Electron Microscope" o SEM) y difracción de rayos X ("X-Ray Diffraction" o XRD). A su vez, se realizará un ensayo de implantación con un plasma pulsado de He para analizar los efectos de la irradiación en uno de los recubrimientos. Abstract: The work that will be carried out is based on the development of new materials capable of withstanding the extreme conditions that they will have to face inside a nuclear fusion reactor, such as high thermal loads and high ion fluxes. Currently, nanostructured tungsten potential is being investigated as a plasma facing material (PFM). The main advantage over coarse grain tungsten is its high density of grain boundaries which make the material more resistant to irradiation. The project´s main objective will be the search of the optimal conditions that will allow us to fabricate nanostructured tungsten thin films by using the sputtering technique in different configurations, such as DCMS (Direct Current Magnetron Sputtering) and/or HiPIMS (High Power Impulse Magetron Sputtering) and characterize their properties as a PFM by perfilometry, optical microscopy, SEM (Scanning Electron Microcopy) and XRD (X-Ray Diffracion) analysis. Moreover, an implantation test with a He pulsed plasma will be carried out to analyze the effects of irradiation on one of the coatings.

Accessing chain length dependent termination rate coefficients of methyl methacrylate (MMA) via the reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) process

The RAFT-CLD-T methodology is demonstrated to be not only applicable to 1-substituted monomers such as styrene and acrylates, but also to 1,1-disubstituted monomers such as MMA. The chain length of the terminating macromolecules is controlled by CPDB in MMA bulk free radical polymerization at 80 degrees C. The evolution of the chain length dependent termination rate coefficient, k(t)(i,i), was constructed in a step-wise fashion, since the MMA/CPDB system displays hybrid behavior (between conventional and living free radical polymerization) resulting in initial high molecular weight polymers formed at low RAFT agent concentrations. The obtained CLD of k(t) in MMA polymerizations is compatible with the composite model for chain length dependent termination. For the initial chain-length regime, up to a degree of polymerization of 100, k(t) decreases with alpha (in the expression k(t)(i,i) = k(t)(0) . i(-alpha)) being close to 0.65 at 80 degrees C. At chain lengths exceeding 100, the decrease is less pronounced (affording an alpha of 0.15 at 80 degrees C). However, the data are best represented by a continuously decreasing nonlinear functionality implying a chain length dependent alpha.

Analysing DBD plasma lamp intensity versus power consumption using a push-pull pulsed power supply

In this paper characteristic of a DBD (Dielectric Barrier Discharge) plasma lamp is investigated based on the lamp intensity and power consumption. A pulsed power supply with controllable parameters based on a push-pull converter is developed for lamp excitation at different voltage levels and repetition rate. The experimentations were conducted for 28 different operating points with the frequency range of 2 kHz to 15 Khz at output voltage levels of between 7.4 kV up to 13 kV. The obtained results show the feasibility of finding an optimum operation point due to nonlinear behaviour of the DBD lamp.

Effect of pulsed power on particle matter in diesel engine exhaust using a DBD plasma reactor

Nonthermal plasma (NTP) treatment of exhaust gas is a promising technology for both nitrogen oxides (NOX) and particulate matter (PM) reduction by introducing plasma into the exhaust gases. This paper considers the effect of NTP on PM mass reduction, PM size distribution, and PM removal efficiency. The experiments are performed on real exhaust gases from a diesel engine. The NTP is generated by applying high-voltage pulses using a pulsed power supply across a dielectric barrier discharge (DBD) reactor. The effects of the applied high-voltage pulses up to 19.44 kVpp with repetition rate of 10 kHz are investigated. In this paper, it is shown that the PM removal and PM size distribution need to be considered both together, as it is possible to achieve high PM removal efficiency with undesirable increase in the number of small particles. Regarding these two important factors, in this paper, 17 kVpp voltage level is determined to be an optimum point for the given configuration. Moreover, particles deposition on the surface of the DBD reactor is found to be a significant phenomenon, which should be considered in all plasma PM removal tests.

Investigation on bioactivity of titanium dioxide thin films fabricated by electron cyclotron resonance plasma aided pulsed laser deposition

Titanium dioxide thin films with a rutile crystallinite size around 20 nm were fabricated by pulsed laser deposition (PLD) aided with an electron cyclotron resonance (ECR) plasma. With annealing treatment, the crystal size of the rutile crystallinite increased to 100 nm. The apatite-forming ability of the films as deposited and after annealing was investigated in a kind of simulated body fluid with ion concentrations nearly equal to those of human blood plasma. The results indicate that ECR aided PLD is an effective way both to fabricate bioactive titanium dioxide thin films and to optimize the bioactivity of titanium dioxide, with both crystal size and defects of the film taken into account.

Pulsed Electrical Stimulation and Surface Charge Induced Cell Growth on Multistage Spark Plasma Sintered Hydroxyapatite-Barium Titanate Piezobiocomposite

The primary purpose of the present work was to illustrate whether cell proliferation can be enhanced on electroactive bioceramic composite, when the cells are cultured in the presence of external electrical stimulation. The two different aspects of the influence of electric field (E-field) application toward stimulating the growth/proliferation of bone/connective tissue cells in vitro, (a) intermittent delivery of extremely low strength pulsed electrical stimulation (0.5-4V/cm, 400s DC pulse) and (b) surface charge generated by electrical poling (10kV/cm) of hydroxyapatite (HA)-BaTiO3 piezobiocomposite have been demonstrated. The experimental results establish that the cell growth can be enhanced using the new culture protocol of the intermittent delivery of electrical pulses within a narrow range of stimulation parameters. The optimal E-field strength for enhanced cellular response for mouse fibroblast L929 and osteogenic cells is in the range of 0.5-1V/cm. The MTT 3-(4, 5-dimethylthiazol-2-yl)-2, 5-diphenyl tetrazolium bromide] assay results suggested the increased viability of E-field treated cells over 7d in culture, implicating the positive impact of electrical pulses on proliferation behavior. The alizarin red assay results showed noticeable increase in Ca-deposition on the E-field treated samples in comparison to their untreated counterparts. The negatively charged surfaces of developed piezocomposite stimulated the cell growth in a statistically noticeable manner as compared with the uncharged or positively charged surfaces of similar composition.

Plasma boundary sheath in the afterglow of a pulsed inductively coupled RF plasma

The sheath dynamics in the afterglow of a pulsed inductively coupled plasma, operated in hydrogen, is investigated. It is found that the sheath potential does not fully collapse in the early post-discharge. Time resolved measurements of the positive ion flux in a hydrogen plasma, using a mass resolved ion energy analyser, reveal that a constant 2 eV mean ion energy persists for several hundred micro-seconds in the afterglow. The presence of a finite sheath potential is explained by super-elastic collisions between vibrationally excited hydrogen molecules and electrons in the afterglow, leading to an electron temperature of about 0.5 eV. Plasma density decay times measured using both the mass resolved energy analyser and a Langmuir probe are in good agreement. Vibrational temperatures measured using optical emission spectroscopy support the theory of electron heating through super-elastic collisions with vibrationally excited hydrogen molecules. Measurements are also supported by numerical simulations and modelling results.

Characterization of stationary and pulsed inductively coupled RF discharges for plasma sterilization

Sterilization of bio-medical materials using radio frequency (RF) excited inductively coupled plasmas (ICPs) has been investigated. A double ICP has been developed and studied for homogenous treatment of three-dimensional objects. Sterilization is achieved through a combination of ultraviolet light, ion bombardment and radical treatment. For temperature sensitive materials, the process temperature is a crucial parameter. Pulsing of the plasma reduces the time average heat strain and also provides additional control of the various sterilization mechanisms. Certain aspects of pulsed plasmas are, however, not yet fully understood. Phase resolved optical emission spectroscopy and time resolved ion energy analysis illustrate that a pulsed ICP ignites capacitively before reaching a stable inductive mode. Time resolved investigations of the post-discharge, after switching off the RF power, show that the plasma boundary sheath in front of a substrate does not fully collapse for the case of hydrogen discharges. This is explained by electron heating through super-elastic collisions with vibrationally excited hydrogen molecules.

OPTICAL-ABSORPTION SPECTROSCOPY STUDY OF THE ROLE OF PLASMA CHEMISTRY IN YBA2CU3O7 PULSED LASER DEPOSITION

Time-resolved optical absorption spectroscopy techniques were used to study Ba, metastable Ba+, and YO absorptions in the laser-produced plasma plume from a YBa2Cu3O7 target. Results obtained indicate an initial explosive removal of material from the target sur-face followed by a subsequent evaporation process. Some YO is ejected from the target in molecular form, particularly at laser fluence

Using a current source to improve efficiency of a plasma system

This paper presents the possibility of utilizing a current source topology instead of a voltage source as an efficient, flexible and reliable power supply for plasma applications. A buck-boost converter with a current controller has been used to transfer energy from an inductor to a plasma system. A control strategy has also been designed to satisfy all the desired purposes. The main concept behind this topology is to provide high dv/dt regardless of the switching speed of a power switch and to control the current level to properly transfer adequate energy to various plasma applications.

A novel high voltage pulsed power supply based on low voltage switch-capacitor units

This paper presents a high voltage pulsed power system based on low voltage switch-capacitor units connected to a current source for several applications such as plasma systems. A buck-boost converter topology is used to utilize the current source and a series of low voltage switch-capacitor units is connected to the current source in order to provide high voltage with high voltage stress (dv/dt) as demanded by loads. This pulsed power converter is flexible in terms of energy control, in that the stored energy in the current source can be adjusted by changing the current magnitude to significantly improve the efficiency of various systems with different requirements. Output voltage magnitude and stress (dv/dt) can be controlled by a proper selection of components and control algorithm to turn on and off switching devices.