Electro-oxidation of Au(1 1 1) in contact with aqueous electrolytes: New insight from in situ vibration spectroscopy

We carried out a comprehensive study of Au(1 1 1) oxidation–reduction in the presence of (hydrogen-) sulfate ions on ideally smooth and stepped Au(S)[n(1 1 1)-(1 1 1)] single crystal electrodes using cyclic voltammetry, in situ scanning tunneling microscopy (STM) and vibration spectroscopy, such as surface-enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRAS) and shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy (SHINERS). Surface structure changes and the role of surface defects in the potential regions of double layer charging and gold oxidation/reduction are discussed based on cyclic voltammetry and in situ STM data. SEIRAS and SHINERS provide complementary information on the chemical nature of adsorbates. In particular, the potential-dependent formation and stability ranges of adsorbed sulfate, hydroxide-species and of gold surface oxide could be resolved in detail. Based on our experimental observations, we proposed new and extended mechanisms of gold surface oxidation and reduction in 1.0 M H2SO4 and 1.0 M Na2SO4.

A Donor-Acceptor Tetrathiafulvalene Ligand Complexed to Iron(II): Synthesis, Electrochemistry, and Spectroscopy of Fe(phen)(2)(TTF-dppz)(PF6)(2)

The synthesis and photophysical properties of the complex Fe(phen)(2)(TTF-dppz)(2+) (TTF-dppz = 4',5'-bis-(propylthio)tetrathiafulvenylidipyrido3,2-a:2',3'-c-phenazine, phen = 1,10-phenanthroline) are described. In this complex, excitation into the metal ligand charge transfer bands results in the population of a high-spin state of iron(II), with a decay lifetime of approximately 1.5 ns, in dichloromethane, at room temperature. An intraligand charge transfer state can also be obtained and has a lifetime of 38 ps. A mechanism for the different states reached is proposed based on transient absorption spectroscopy.

Real-time analysis of δ13C- and δD-CH4 in ambient air with laser spectroscopy: method development and first intercomparison results

In situ and simultaneous measurement of the three most abundant isotopologues of methane using mid-infrared laser absorption spectroscopy is demonstrated. A field-deployable, autonomous platform is realized by coupling a compact quantum cascade laser absorption spectrometer (QCLAS) to a preconcentration unit, called trace gas extractor (TREX). This unit enhances CH4 mole fractions by a factor of up to 500 above ambient levels and quantitatively separates interfering trace gases such as N2O and CO2. The analytical precision of the QCLAS isotope measurement on the preconcentrated (750 ppm, parts-per-million, µmole mole−1) methane is 0.1 and 0.5 ‰ for δ13C- and δD-CH4 at 10 min averaging time. Based on repeated measurements of compressed air during a 2-week intercomparison campaign, the repeatability of the TREX–QCLAS was determined to be 0.19 and 1.9 ‰ for δ13C and δD-CH4, respectively. In this intercomparison campaign the new in situ technique is compared to isotope-ratio mass spectrometry (IRMS) based on glass flask and bag sampling and real time CH4 isotope analysis by two commercially available laser spectrometers. Both laser-based analyzers were limited to methane mole fraction and δ13C-CH4 analysis, and only one of them, a cavity ring down spectrometer, was capable to deliver meaningful data for the isotopic composition. After correcting for scale offsets, the average difference between TREX–QCLAS data and bag/flask sampling–IRMS values are within the extended WMO compatibility goals of 0.2 and 5 ‰ for δ13C- and δD-CH4, respectively. This also displays the potential to improve the interlaboratory compatibility based on the analysis of a reference air sample with accurately determined isotopic composition.

X-ray absorption study of the ferromagnetic Cu moment at the YBa_(2)Cu_(3)O_(7)/La_(2/3)Ca_(1/3)MnO_(3) interface and variation of its exchange interaction with the Mn moment

With x-ray absorption spectroscopy and polarized neutron reflectometry we studied how the magnetic proximity effect at the interface between the cuprate high-TC superconductor YBa_(2)Cu_(3)O_(7) (YBCO) and the ferromagnet La_(2/3)Ca_(1/3)MnO_(3) (LCMO) is related to the electronic and magnetic properties of the LCMO layers. In particular, we explored how the magnitude of the ferromagnetic Cu moment on the YBCO side depends on the strength of the antiferromagnetic (AF) exchange coupling with the Mn moment on the LCMO side. We found that the Cu moment remains sizable if the AF coupling with the Mn moments is strongly reduced or even entirely suppressed. The ferromagnetic order of the Cu moments thus seems to be intrinsic to the interfacial CuO_(2) planes and related to a weakly ferromagnetic intraplanar exchange interaction. The latter is discussed in terms of the partial occupation of the Cu 3d_(3z^(2)−r^(2)) orbitals, which occurs in the context of the so-called orbital reconstruction of the interfacial Cu ions.

Quantitative photoluminescence of broad band absorbing melanins: a procedure to correct for inner filter and re-absorption effects

We report methods for correcting the photoluminescence emission and excitation spectra of highly absorbing samples for re-absorption and inner filter effects. We derive the general form of the correction, and investigate various methods for determining the parameters. Additionally, the correction methods are tested with highly absorbing fluorescein and melanin (broadband absorption) solutions; the expected linear relationships between absorption and emission are recovered upon application of the correction, indicating that the methods are valid. These procedures allow accurate quantitative analysis of the emission of low quantum yield samples (such as melanin) at concentrations where absorption is significant. (c) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

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.

Understanding near Fermi-level electronic structure through x-ray emission spectroscopy

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

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.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.

QUANTIFICATION OF CALCIUM IN SPARKLING WINES BY INFRARED SPECTROSCOPY

Markets are increasingly competitive and the companies feel the urge to improve their manufacturing processes. Blending that with a larger control of quality and safety it was created a need to develop new methods of analysis each time more accurate, faster and with lower costs. Alentejo is a region with a wide variety of soils, most of them are rich in calcium and potassium. In the production of sparkling wine many wineries use encapsulated yeast in alginate beads, instead of the traditional method, champenoise. The first method is faster, allowing a more versatile production, reducing the risk of contamination and features organoleptic characteristics similar to the traditional method (yeast free). However, encapsulated yeast spheres should be only used if the base wine matches a number of features, among them calcium content. In this study the calcium content in the wine was determined by atomic absorption spectroscopy (AAS) and by near-infrared spectroscopy. The AAS is a high sensitivity method clearly produces a reliable result, however it is very time consuming and produces great quantities of environmental waste, therefore the possibility of using near-infrared spectroscopy as a method was studied to be a fast, simple and clean alternative to the AAS. It was obtained a calibration model with a variation coefficient higher than 0.80 which indicates that the near-infrared spectroscopy as an adequately alternative the ASS.

Novel ruthenium bipyridyl dyes with s-donor ligands and their application in dye-sensitized solar cells

Two series of novel ruthenium bipyridyl dyes incorporating sulfur-donor bidentate ligands with general formula \[Ru(R-bpy)2C2N2S2] and \[Ru(R-bpy)2(S2COEt)]\[NO3] (where R =H, CO2Et, CO2H; C2N2S2 = cyanodithioimidocarbonate and S2COEt = ethyl xanthogenate) have been synthesized and characterized spectroscopically, electrochemically and computationally. The acid derivatives in both series (C2N2S2 3 and S2COEt 6) were used as a photosensitizer in a dye-sensitized solar cell (DSSC) and the incident photo-to-current conversion efficiency (IPCE), overall efficiency (_) and kinetics of the dye/TiO2 system were investigated. It was found that 6 gave a higher efficiency cell than 3 despite the latter dye’s more favorable electronic properties, such as greater absorption range, higher molar extinction coefficient and large degree of delocalization of the HOMO. The transient absorption spectroscopy studies revealed that the recombination kinetics of 3 were unexpectedly fast, which was attributed to the terminal CN on the ligand binding to the TiO2, as evidenced by an absorption study of R =H and CO2Et dyes sensitized on TiO2, and hence leading to a lower efficiency DSSC.

Azoporphyrin : the porphyrin analogue of azobenzene

Azobenzenes (1,2-diaryldiazenes) are very important organic pigments, and they have a unique place in the field of photoresponsive conjugated molecules due to their (usually) reversible E/Z photoisomerisation. The current intense interest in molecular analogues of mechanical components and information storage and processing elements has stimulated research into conjugated molecules whose shape and/or optical properties can be switched electro- or photochemically. Among the classes of conjugated pigments being explored in these contexts are the porphyrinoids, which offer advantages of intense light absorption, a variety of accessible oxidation states, and synthetic control of properties through peripheral or central substitution. Extension of porphyrinoid conjugation can be achieved by linking the peripheral carbons either by three direct bonds (as in the “porphyrin tapes” of Osuka et al.) or through potentially conjugating bridges such as alkenes or, even better, alkynes.

N-Aryl stilbazolium dyes as sensitizers for solar cells

Eight new N-arylstilbazolium chromophores with electron donating –NR2 (R = Me or Ph) substituents have been synthesized via Knoevenagel condensations and isolated as their PF6− salts. These compounds have been characterized by using various techniques including 1H NMR and IR spectroscopies and electrospray mass spectrometry. UV–vis absorption spectra recorded in acetonitrile are dominated by intense, low energy π → π* intramolecular charge-transfer (ICT) bands, and replacing Me with Ph increases the ICT energies. Cyclic voltammetric studies show irreversible reduction processes, together with oxidation waves that are irreversible for R = Me, but reversible for R = Ph. Single crystal X-ray structures have been determined for three of the methyl ester-substituted stilbazolium salts and for the Cl− salts of their picolinium precursors. Time-dependent density functional theory calculations afford reasonable predictions of ICT energies, but greater rigour is necessary for –NPh2 derivatives. The four new acid-functionalized dyes give moderate sensitization efficiencies (ca. 0.2%) when using TiO2-based photoanodes, with relatively higher values for R = Ph vs Me, while larger efficiencies (up to 0.8%) are achieved with ZnO substrates.

Real-time monitoring of nucleation-growth cycle of carbon nanoparticles in acetylene plasmas

Quantum cascade laserabsorption spectroscopy was used to measure the absolute concentration of acetylene in situ during the nanoparticle growth in Ar + C2H2 RF plasmas. It is demonstrated that the nanoparticle growth exhibits a periodical behavior, with the growth cycle period strongly dependent on the initial acetylene concentration in the chamber. Being 300 s at 7.5% of acetylene in the gas mixture, the growth cycle period decreases with the acetylene concentration increasing; the growth eventually disappears when the acetylene concentration exceeds 32%. During the nanoparticle growth, the acetylene concentration is small and does not exceed 4.2% at radio frequency (RF) power of 4 W, and 0.5% at RF power of 20 W. An injection of a single acetylene pulse into the discharge also results in the nanoparticlenucleation and growth. The absorption spectroscopy technique was found to be very effective for the time-resolved measurement of the hydrocarbon content in nanoparticle-generatingplasmas.

Si quantum dots embedded in an amorphous SiC matrix : nanophase control by non-equilibrium plasma hydrogenation

Nanophase nc-Si/a-SiC films that contain Si quantum dots (QDs) embedded in an amorphous SiC matrix were deposited on single-crystal silicon substrates using inductively coupled plasma-assisted chemical vapor deposition from the reactive silane and methane precursor gases diluted with hydrogen at a substrate temperature of 200 °C. The effect of the hydrogen dilution ratio X (X is defined as the flow rate ratio of hydrogen-to-silane plus methane gases), ranging from 0 to 10.0, on the morphological, structural, and compositional properties of the deposited films, is extensively and systematically studied by scanning electron microscopy, high-resolution transmission electron microscopy, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, Fourier-transform infrared absorption spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. Effective nanophase segregation at a low hydrogen dilution ratio of 4.0 leads to the formation of highly uniform Si QDs embedded in the amorphous SiC matrix. It is also shown that with the increase of X, the crystallinity degree and the crystallite size increase while the carbon content and the growth rate decrease. The obtained experimental results are explained in terms of the effect of hydrogen dilution on the nucleation and growth processes of the Si QDs in the high-density plasmas. These results are highly relevant to the development of next-generation photovoltaic solar cells, light-emitting diodes, thin-film transistors, and other applications.