Collective excitations in coupled quantum wells

The dielectric response of a modulated three-dimensional electron system composed of a periodic array of quantum wells with weak coupling and strong coupling are studied, and the dispersions of the collective excitations and the single particle excitations as functions of wave vectors are given. It is found that for the nearly isolated multiple-quantum-well case with several subbands occupation, there is a three-dimensional-like plasmon when q(z)=0 (q(z) is the wave-vector component in the superlattice axis). There also exist intersubband collective excitations in addition to one intra-subband mode when q(z) not equal 0. The intra-subband mode has a linear dispersion relation with q(//) (the wave-vector component perpendicular to the superlattice axis) when q(//) is small. The inter-subband modes cover wider ranges in q(//) with increasing values of q(z). The energies of inter-subband collective excitations are close by the corresponding inter-subband single-particle excitation spectra. The collective excitation dispersions show obvious anisotropy in the 2D quantum limit. The calculated results agree with the experiment. The coupling between quantum wells affects markedly both the collective excitations and the single particle excitations spectra. The system shows gradually a near-three-dimensional electron gas character with increasing coupling. Copyright (C) 1996 Published by Elsevier Science Ltd

Light-excited structural instability of a-Si : H.

With the accumulation of experimental data, it has been recognized by many that the light-induced metastable change of a-Si:H, Staebler-Wronski effect (SWE), may be related to a structural instability of the whole a-Si:H network. However, direct evidence of such a structural change is still lacking. In the present paper, the efforts of our laboratory in this direction will be reviewed, including the light-induced changes of Si-H bond absorption, low frequency dielectric response, and an apparent photo-dilation effect.

A microwave emissivity model of sea surface under wave breaking

With the effective medium approximation theory of composites, a remedial model is proposed for estimating the microwave emissivity of sea surface under wave breaking driven by strong wind on the basis of an empirical model given by Pandey and Kakar. In our model, the effects of the shapes of seawater droplets and the thickness of whitecap layer (i.e. a composite layer of air and sea water droplets) over the sea surface on the microwave emissivity are investigated by calculating the effective dielectric constant of whitecaps layer. The wind speed is included in our model, and the responses of water droplets shapes, such as sphere and ellipsoid, to the emissivity are also discussed at different microwave frequencies. The model is in good agreement with the experimental data of microwave emissivity of sea surface at microwave frequencies of 6.6, 10.7 and 37GHz.

Probing the ultimate limits of plasmonic enhancement.

Metals support surface plasmons at optical wavelengths and have the ability to localize light to subwavelength regions. The field enhancements that occur in these regions set the ultimate limitations on a wide range of nonlinear and quantum optical phenomena. We found that the dominant limiting factor is not the resistive loss of the metal, but rather the intrinsic nonlocality of its dielectric response. A semiclassical model of the electronic response of a metal places strict bounds on the ultimate field enhancement. To demonstrate the accuracy of this model, we studied optical scattering from gold nanoparticles spaced a few angstroms from a gold film. The bounds derived from the models and experiments impose limitations on all nanophotonic systems.

Analytical calculation of far infrared spectra of ice in terms of a molecular model

Wideband far infrared (FIR) spectra of complex permittivity e(p) of ice are calculated in terms of a simple analytical theory based on the method of dipolar autocorrelation functions. The molecular model represents a revision of the model recently presented for liquid water in Adv. Chem. Phys. 127 (2003) 65. A composite two-fractional model is proposed. The model is characterised by three phenomenological potential wells corresponding to the three FIR bands observed in ice. The first fraction comprises dipoles reorienting in a rather narrow and deep hat-like well; these dipoles generate the librational band centred at the frequency approximate to 880 cm(-1). The second fraction comprises elastically interacting particles; they generate two nearby bands placed around frequency 200 cm(-1). For description of one of these bands the harmonic oscillator (HO) model is used, in which translational oscillations of two charged molecules along the H-bond are considered. The other band is produced by the H-bond stretch, which governs hindered rotation of a rigid dipole. Such a motion and its dielectric response are described in terms of a new cut parabolic (CP) model applicable for any vibration amplitude. The composite hat-HO-CP model results in a smooth epsilon(nu) ice spectrum, which does not resemble the noise-like spectra of ice met in the known literature. The proposed theory satisfactorily agrees with the experimental ice spectrum measured at - 7 degrees C. The calculated longitudinal optic-transverse optic (LO-TO) splitting occurring at approximate to 250 cm(-1) qualitatively agrees with the measured data. (c) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Nonharmonic transverse vibration of the H-bonded molecules and the THz spectra in ice and water

A nonlinear equation of motion is found for the dimer comprising two charged H2O molecules. The THz dielectric response to nonharmonic vibration of a nonrigid dipole, forming the hydrogen bond (HB), is found in the direction transverse to this bond. An explicit expression is derived for the autocorrelator that governs the spectrum generated by transverse vibration (TV) of such a dipole. This expression is obtained by analytical solution of the truncated set of recurrence equations. The far infrared (FIR) spectra of ice at the temperature - 7 degrees C are calculated. The wideband, in the wavenumber (frequency) v range 0... 100.0 cm(-1), spectra are obtained for liquid water at room temperature and for supercooled water at -5.6 degrees C. All spectra are represented in terms of the complex permittivity epsilon(v) and the absorption coefficient alpha(v). The obtained analytical formula for epsilon comprises the term epsilon(perpendicular to) pertinent to the studied TV mechanism with three additional terms Delta epsilon(q), Delta epsilon(mu), and epsilon(or) arising, respectively, from: elastic harmonic vibration of charged molecules along the H-bond; elastic reorientation of HB permanent dipoles; and rather free libration of permanent dipoles in 'defects' of water/ice structure. The suggested TV-dielectric relaxation mechanism allows us: (a) to remove the THz 'deficit' of loss epsilon" inherent in previous theoretical studies; (b) to explain the THz loss and absorption spectra in supercooled (SC) water; and (c) to describe, in agreement with the experiment, the low- and high-frequency tails of the two bands of ice H2O located in the range 10...300 cm(-1). Specific THz dielectric properties of SC water are ascribed to association of water molecules, revealed in our study by transverse vibration of HB charged molecules. (C) 2006 Published by Elsevier B.V.

Changes in functional behavior of 93 % Pb(Mg1/3Nb2/3)O-3-7 % PbTiO3 thin films induced by ac electric fields

The dielectric properties of Au/[93%Pb(Mg1/3Nb2/3)O-3-7%PbTiO3] (PMN-PT)/(La0.5Sr0.5)CoO3/MgO thin-film capacitor heterostructures, made using pulsed laser deposition, have been investigated, with particular emphasis on the changes in response associated with increasing the magnitude of the ac measuring field. It was found that increasing the ac field caused a change in the frequency spectrum of relaxators, increasing the speed of response of "slow" relaxators, with an associated decrease in the freezing temperature (T-f) of the relaxor system; in addition, other characteristic parameters relating to polar relaxation (activation energy E-a and attempt frequency 1/tau(0)), described by fitting of the dielectric response to a Vogel-Fulcher expression, were found to change continuously as ac field levels were increased.

Exploring grain size as a cause for dead-layer effects in thin film capacitors

Pulsed laser deposition was used to make a series of Au/Ba0.5Sr0.5TiO3 (BST)/SrRuO3/MgO thin film capacitors with dielectric thickness ranging from similar to15 nm to similar to1 mum. Surface grain size of the dielectric was monitored as a function of thickness using both atomic force microscopy and transmission electron microscopy. Grain size data were considered in conjunction with low field dielectric constant measurements. It was observed that the grain size decreased with decreasing thickness in a manner similar to the dielectric constant. Simple models were developed in which a functionally inferior layer at the grain boundary was considered as responsible for the observed dielectric behavior. If a purely columnar microstructure was assumed, then constant thickness grain-boundary dead layers could indeed reproduce the series capacitor dielectric response observed, even though such layers would contribute electrically in parallel with unaffected bulk- like BST. Best fits indicated that the dead layers would have a relative dielectric constant similar to40, and thickness of the order of tens of nanometers. For microstructures that were not purely columnar, models did not reproduce the observed dielectric behavior well. However, cross-sectional transmission electron microscopy indicated columnar microstructure, suggesting that grain boundary dead layers should be considered seriously in the overall dead-layer debate. (C) 2002 American Institute of Physics.

Metamaterial made of paired planar conductors: Particle resonances, phenomena and properties

The properties and characteristics of a recently proposed anisotropic metamaterial based upon layered arrays of tightly coupled pairs of "dogbone" shaped stripe conductors have been explored in detail. It has been found that a metamaterial composed of such stacked layers exhibits artificial magnetism and may support backward wave propagation. The equivalent network models of the constitutive conductor pairs arranged in the periodic array have been devised and applied to the identification of the specific types of resonances, and to the analysis of their contribution into the effective dielectric and magnetic properties of the artificial medium. The proposed "dogbone" configuration of conductor pairs has the advantage of being entirely realizable and assemblable in planar technology. It also appears more prospective than simple cut-wire or metal-plate pairs because the additional geometrical parameters provide an efficient control of separation between the electric and magnetic resonances that, in turn, makes it possible to obtain a fairly broadband left-handed behaviour of the structure at low frequencies.

Electromagnetic pulse compression and energy localization in quantum plasmas

The evolution of the intensity of a relativistic laser beam propagating through a dense quantum plasma is investigated, by considering different plasma regimes. A cold quantum fluid plasma and then a thermal quantum description(s) is (are) adopted, in comparison with the classical case of reference. Considering a Gaussian beam cross-section, we investigate both the longitudinal compression and lateral/longitudinal localization of the intensity of a finite-radius electromagnetic pulse. By employing a quantum plasma fluid model in combination with Maxwell's equations, we rely on earlier results on the quantum dielectric response, to model beam-plasma interaction. We present an extensive parametric investigation of the dependence of the longitudinal pulse compression mechanism on the electron density in cold quantum plasmas, and also study the role of the Fermi temperature in thermal quantum plasmas. Our numerical results show pulse localization through a series of successive compression cycles, as the pulse propagates through the plasma. A pulse of 100 fs propagating through cold quantum plasma is compressed to a temporal size of approximate to 1.35 attosecond and a spatial size of approximate to 1.08 10(-3) cm. Incorporating Fermi pressure via a thermal quantum plasma model is shown to enhance localization effects. A 100 fs pulse propagating through quantum plasma with a Fermi temperature of 350 K is compressed to a temporal size of approximate to 0.6 attosecond and a spatial size of approximate to 2.4 10(-3) cm. (c) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Repression of NHE1 Expression by PPAR gamma Activation Is a Potential New Approach for Specific Inhibition of the Growth of Tumor Cells In vitro and In vivo

Ligand-induced activation of peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPAIR gamma) inhibits proliferation in cancer cells in vitro and in vivo; however, the downstream targets remain undefined. We report the identification of a peroxisome proliferator response element in the promoter region of the Na+/ H transporter gene NHE1, the overexpression of which has been associated with carcinogenesis. Exposure of breast cancer cells expressing high levels of PPAR gamma to its natural and synthetic agonists resulted in downregulation of NHE1 transcription as well as protein expression. Furthermore, the inhibitory effect of activated PPAR gamma on tumor colony-forming ability was abrogated on overexpression of NHE1, whereas small interfering RNA-mediated gene silencing of NHE1 significantly increased the sensitivity of cancer cells to growth-inhibitory stimuli. Finally, histopathologic analysis of breast cancer biopsies obtained from patients with type II diabetes treated with the synthetic agonist rosiglitazone showed significant repression of NHE1 in the tumor tissue. These data provide evidence for tumor-selective downregulation of NHE1 by activated PPAR gamma in vitro and in pathologic specimens from breast cancer patients and could have potential implications for the judicious use of low doses of PPAR gamma ligands in combination chemotherapy regimens for an effective therapeutic response. [Cancer Res 2009;69(22):8636-44]

Tip-enhanced Raman microscopy: practicalities and limitations

The feasibility of apertureless scanning near-field Raman microscopy, exploiting the local enhancement in Raman scattering in the vicinity of a silver or gold tip, was investigated. Using the finite difference time domain method we calculated the enhancement of electric field strength, and hence Raman scattering, achieved through the resonant excitation of local modes in the tip. By modelling the frequency-dependent dielectric response of the metal tip we were able to highlight the resonant nature of the tip-enhancement and determine the excitation wavelength required for the strongest electric field enhancement, and hence Raman scattering intensity, which occurs for the excitation of modes localized at the tip apex. It is demonstrated that a peak Raman enhancement of 10(7)-fold should be achievable with <5 nm spatial resolution. We show that surface-enhanced Raman scattering from carbon contamination on a silver or gold tip can be significant. However, we find for a tip of radius of curvature 20 nm that the Raman enhancement should decay totally within 20 nm from the tip. Hence withdrawal of the tip by this distance should lead to the disappearance of the tip-enhanced signal, leaving only that from carbon contamination on the tip itself and the intrinsic signal from the sample. Copyright (C) 2003 John Wiley Sons, Ltd.

The dynamics of murid gammaherpesvirus 4 within wild, sympatric populations of bank voles and wood mice

Murid gammaherpesvirus 4 (MuHV-4) is widely used as a small animal model for understanding gammaherpesvirus infections in man. However, there have been no epidemiological studies of the virus in wild populations of small mammals. As MuHV-4 both infects cells associated with the respiratory and immune systems and attempts to evade immune control via various molecular mechanisms, infection may reduce immunocompetence with potentially serious fitness consequences for individuals. Here we report a longitudinal study of antibody to MuHV-4 in a mixed assemblage of bank voles (Clethrionomys glareolus) and wood mice (Apodemus sylvaticus) in the UK. The study was conducted between April 2001 and March 2004. Seroprevalence was higher in wood mice than bank voles, supporting earlier work that suggested wood mice were the major host even though the virus was originally isolated from a bank vole. Analyses of both the probability of having antibodies and the probability of initial seroconversion indicated no clear seasonal pattern or relationship with host density. Instead, infection risk was most closely associated with individual characteristics, with heavier males having the highest risk. This may reflect individual variation in susceptibility, potentially related to variability in the ability to mount an effective immune response.

Preparação e caracterização de materiais com constante dieléctrica colossal baseados em CCTO

A procura de materiais com elevada constante dieléctrica (E’) motivou nos últimos anos uma intensa pesquisa neste domínio. Entre as várias aplicações destes materiais destacam-se os dispositivos de memória baseados em componentes capacitivos, como as DRAM, em que o valor da constante dieléctrica estática (Es) determina o seu nível de miniaturização. Entre estes materiais, o CaCu3Ti4O12 (CCTO) tem sido apontado como sendo bastante interessante na perspectiva das aplicações tecnológicas e do ponto de vista científico. O CCTO tem a estrutura da perovsquite, apresentando valores elevados de E’ e uma grande estabilidade numa vasta gama de temperaturas (100 – 400 K) e frequências (100 Hz – 1 MHz). Contudo, as elevadas perdas dieléctricas (tan ) têm sido um entrave à sua aplicação tecnológica. Neste trabalho foram preparados materiais derivados do CCTO pelos métodos de reacção do estado sólido, sol-gel e fusão de zona com laser, com o principal objectivo de optimizar as amostras preparadas ao nível estrutural e morfológico, de modo a reduzir tan e aumentar a gama de frequências na qual se verifique E’colossal. Do ponto de vista da sua caracterização estrutural e morfológica usaram-se técnicas de difracção de raios X, microscopia electrónica de varrimento, espectroscopia de dispersão de raios X e espectroscopia de Raman. Para a caracterização eléctrica foram medidas a condutividade ac e dc, a impedância complexa e E’ em função da temperatura e frequência. As medidas dieléctricas mostraram a existência de mecanismos de relaxação, que foram ajustados usando o modelo de Cole-Cole. Discutiu-se a correlação entre os parâmetros de relaxação obtidos e os resultados estruturais das amostras. Atendendo a que o mecanismo de polarização que está na origem das propriedades incomuns do CCTO ainda permanece em discussão, foram produzidas amostras com uma grande diversidade morfológica, variando as condições de síntese. Foram ainda dopadas amostras de CCTO com os óxidos TeO2 e GeO2. Constatou-se que a resposta dieléctrica das amostras de CCTO policristalinas é muito dependente do tamanho de grão. Em regra, verificou-se o aumento de Es e a diminuição da resistência dos grãos e fronteiras de grão com o aumento do tamanho de grão.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

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