Dipòsit i caracterització de capes primes orgàniques de P3HT:PCBM per a aplicacions fotovoltaiques

En un món on el ritme de la societat actual ens ha portat a considerar les energies enovables com a prioritat vital i necessària i en el que es preveu que la demanda energètica augmenti un 50% fins al 2030, l'interès en la recerca de materials emiconductors orgànics per aplicacions de captura solar, ha assolit un potencial enorme de cara al futur. Molts són el avantatges que presenten aquest tipus de materials en front als seus homòlegs inorgànics. La facilitat de fabricació, la utilització de materials més econòmics i amb menys impacte ambiental, així com la possibilitat de produir dispositius flexibles, són algunes de les atractives aracterístiques que presenten aquests materials. No obstant, certs inconvenients om les baixes eficiències energètiques dels dispositius, i la inestabilitat ambiental ue es tradueix en un temps de vida molt reduït, fan que encara s'hagi d'invertir sforç per aconseguir que aquests materials puguin ser utilitzats en el camp de la aptura d'energia solar. El material més prometedor fins a data d'avui és el P3HT:PCBM. Es tracta d'un sistema polímer:molècula lleugera, on el P3HT actua com a component donador del sistema i el PCBM actua com a component acceptor. Les propietats optoelectròniques i eficiències energètiques de combinats orgànics P3HT:PCBM epèn en gran mesura de la seva morfologia i microestructura. Paràmetres com la proporció entre els components, el dissolvent utilitzat en la dissolució, així com 'aplicació de determinats tractaments tèrmics afecten de forma crítica a la seva orfologia. Durant el present treball s'han utilitzat diverses tècniques de caracterització per a estudiar determinades propietats que presenten aquest tipus de aterials. Entre les tècniques experimentals utilitzades hi trobem la microscòpia FM, l'espectroscòpia Raman i la conductimetria AFM o current sensing AFM CS-AFM). Els experiments en temps real durant l'escalfament de capes primes 3HT:PCBM, mostren que el P3HT pateix una cristal·lització al voltant dels 140ºC, permetent el reordenament de les molècules i un millor solapament del sorbitals [pi]-[pi]*, que resulta en un increment del transport de forats a través de la fase donadora del material. Paralel·lament, entre els 80-120ºC, el material també presenta determinats canvis tant en el comportament dels enllaços, com en la cristal·linitat del material, provocant una quasi transició de fase que atribuïm a la transició vitrea del material. Per altra banda, experiments amb conductimetria AFM realitzats en sistemes P3HT:HDPE mostren un signicatiu augment en la eva estabilitat ambiental, que es tradueix en un augment del temps de vida, sense una pèrdua considerable en els seus valors de conducció. Tot i la combinació del P3HT amb proporcions de polímers aïllants de fins al 80%, el sistema és capaç de no perdre la capacitat de transport gràcies a la formació de fases i dominis rics en P3HT. El present treball posa de manifest que ens trobem davant d'una tecnologia emergent i que nous estudis i esforços en la recerca d'aquest tipus materials és fonamental per aconseguir nous resultats i posicionar als materials semiconductors orgànics com una alternativa viable en el camp dels dispositus fotovoltaics. Assumint dades procedents de la tecnologia actual utilitzada en aquest tipus de materials, estudis i avaluacions ambientals i econòmiques mostren que petits increments tant en les eficiències com en el temps de vida de dispositius basats en aterials orgànics, posicionarien a aquest material com a alternativa totalment viable en el mercat fotovoltaic d'un futur proper.

Cell size distribution in a random tessellation of space governed by the Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami model: Grain size distribution in crystallization

The space subdivision in cells resulting from a process of random nucleation and growth is a subject of interest in many scientific fields. In this paper, we deduce the expected value and variance of these distributions while assuming that the space subdivision process is in accordance with the premises of the Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami model. We have not imposed restrictions on the time dependency of nucleation and growth rates. We have also developed an approximate analytical cell size probability density function. Finally, we have applied our approach to the distributions resulting from solid phase crystallization under isochronal heating conditions

Estudi per calorimetria del recuit i la recristal·lització de coure trefilat

A la indústria de trefilatge de coure, el fil elèctric es fabrica per deformació en fred d'un alambró de secció considerable (uns 5 mm de diametre). Per tal d'aconseguir calibres inferiors al mm són necessaris multiples passos per sengles fileres on el gruix es redueix progressivament. La deformació plàstica en fred comporta una reducció de la ductilitat de tal manera que mes enllà d'una determinada reducció de secció el fil es trencaria. Per això, és necessari un recuit tèrmic amb el qual es recupera la ductilitat inicial. El procés microscòpic principal que explica el canvi de ductilitat és la recristal•lització de l'estructura deformada. L'optimització del procés requereix controlar la temperatura i la durada del recuit. Una tècnica que permet monitoritzar la recristal•lització és la calorimetria, ja que durant el recuit es desprèn calor. Per tant, l'estudi es proposa col laborar en l'optimització del procés amb la predicció de temperatures de recuit per a temps molt curts i per a temps molt llargs. L'estudi s'inicia amb mostres de fil de coure deformat a tracció. Aquestes mostres es recouen a diverses velocitats d'escalfament (des de 10 K/min fins a 80 K/min) per tal d'obtenir els paràmetres cinètics necessaris per a la predicci6 dels recuits isoterms. Aquests paràmetres corresponen a la cinètica de JMAK. Els resultats de la primera sèrie d'experiments s6n esperancadors, però es creu que la mostra comercial no es troba suficientment recuita abans de sotmetre-la a deformació

Síntesi i propietats de vidres metàl•lics massissos i materials nanocomposites basats en Fe per aplicacions com a materials magnètics tous

Estudi realitzat a partir d’una estada a l’ Institut für Komplexe Materialien, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, entre 2010 i 2011. S'ha explorat l'efecte de les condicions i influència dels elements d'aleació en la capacitat de formació de vidre, l'estructura i les propietats tèrmiques i magnètiques de vidres metàl•lics massissos i materials nanocristal•lins en base Fe. La producció d'aquests materials en forma de cintes de unes 20 micres de gruix ha estat àmpliament estudiada i s'ha vist que presenten unes propietats excel•lents com a materials magnètics tous. El propòsit general d'aquest projecte era l'obtenció de composicions òptimes amb alta capacitat de formar vidre i amb excel•lents propietats magnètiques com a materials magnètics tous combinat amb bones propietats mecàniques. El projecte prenia com a punt de partida l'aliatge [FeCoBSi]96Nb4 ja que és el que presenta millor capacitat de formar vidre i presenta una alta imantació de saturació i baix camp coercitiu. S'ha fet un estudi dels factors fonamentals que intervenen en la formació de l'estat vitri. La composició abans esmentada ha estat variada amb l'addició d'altres elements per estudiar com afecten aquests nous elements a les propietats, la formació de vidre i l'estructura dels aliatges resultants amb l'objectiu de millorar-ne les propietats magnètiques i la capacitat de formació de vidre. Entre altres s'ha usat el Zr, Mo, Y i el Gd per millorar la formació de vidre; i el Co i el Ni per millorar les propietats magnètiques a alta temperatura. S'han estudiat les relacions entre la capacitat de formació de vidre i la seva estabilitat tèrmica, la resistència a la cristal•lització i la estructura de l'aliatge resultant després del procés de solidificació. Per aquest estudi s'han determinat els mecanismes que controlen la transformació i la seva cinètica així com les fases que es formen durant el tractament tèrmic permetent la formulació de models predictius.

Screen printed La2/3Sr1/3MnO3 thick films on alumina substrates

We report here on the preparation of La2/3Sr1/3MnO3 magnetoresistive thick films on polycrystalline Al2O3 substrates by using the screen printing technique. It is shown that films can be obtained using high temperature sintering. While there is a reacted layer, this improves adhesion and is not too troublesome if the films are made thick enough. It is shown that PbO-B2O3-SiO2 glass additives allow sintering at lower temperatures and can be used to improve the mechanical stress of the films. However, it is found that glass concentrations large enough to significantly improve the film adherence result in a weak low field magnetoresistance probably because grains are coated with high resistivity material. Strategies to overcome these difficulties are discussed.

Effects of prior hydrogenation on the structure and properties of thermally nanocrystallized silicon layers

Nanocrystalline silicon layers have been obtained by thermal annealing of films sputtered in various hydrogen partial pressures. The as-deposited and crystallized films were investigated by infrared, Raman, x-ray diffraction, electron microscopy, and optical absorption techniques. The obtained data show evidence of a close correlation between the microstructure and properties of the processed material, and the hydrogen content in the as-grown deposit. The minimum stress deduced from Raman was found to correspond to the widest band gap and to a maximum hydrogen content in the basic unannealed sample. Such a structure relaxation seems to originate from the so-called "chemical annealing" thought to be due to Si-H2 species, as identified by infrared spectroscopy. The variation of the band gap has been interpreted in terms of the changes in the band tails associated with the disorder which would be induced by stress. Finally, the layers originally deposited with the highest hydrogen pressure show a lowest stress-which does not correlate with the hydrogen content and the optical band gap¿and some texturing. These features are likely related to the presence in these layers of a significant crystalline fraction already before annealing.

Accuracy in the experimental calorimetric study of the crystallization kinetics and predicitve transformation diagrams: Application to a Ga-Te amorphous alloy

The uncertainties inherent to experimental differential scanning calorimetric data are evaluated. A new procedure is developed to perform the kinetic analysis of continuous heating calorimetric data when the heat capacity of the sample changes during the crystallization. The accuracy of isothermal calorimetric data is analyzed in terms of the peak-to-peak noise of the calorimetric signal and base line drift typical of differential scanning calorimetry equipment. Their influence in the evaluation of the kinetic parameters is discussed. An empirical construction of the time-temperature and temperature heating rate transformation diagrams, grounded on the kinetic parameters, is presented. The method is applied to the kinetic study of the primary crystallization of Te in an amorphous alloy of nominal composition Ga20Te80, obtained by rapid solidification.

Effect of the nanoparticles on the structure and crystallization of amorphous silicon thin films produced by rf glow discharge

Thin films of nanostructured silicon (ns-Si:H) were deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition in the presence of silicon nanoparticles at 100 C substrate temperature using silane and hydrogen gas mixture under continuous wave (cw) plasma conditions. The nanostructure of the films has been demonstrated by diverse ways: transmission electron microscopy, Raman spectroscopy and x-ray diffraction, which have shown the presence of ordered silicon clusters (1!=2 nm) embedded in an amorphous silicon matrix. Due to the presence of these ordered domains, the films crystallize faster than standard hydrogenated amorphous silicon samples, as evidenced by electrical measurements during the thermal annealing.

Finite-size scaling investigation of the liquid-liquid critical point in ST2 water and its stability with respect to crystallization.

The liquid-liquid critical point scenario of water hypothesizes the existence of two metastable liq- uid phases low-density liquid (LDL) and high-density liquid (HDL) deep within the supercooled region. The hypothesis originates from computer simulations of the ST2 water model, but the stabil- ity of the LDL phase with respect to the crystal is still being debated. We simulate supercooled ST2 water at constant pressure, constant temperature, and constant number of molecules N for N ≤ 729 and times up to 1 μs. We observe clear differences between the two liquids, both structural and dynamical. Using several methods, including finite-size scaling, we confirm the presence of a liquid-liquid phase transition ending in a critical point. We find that the LDL is stable with respect to the crystal in 98% of our runs (we perform 372 runs for LDL or LDL-like states), and in 100% of our runs for the two largest system sizes (N = 512 and 729, for which we perform 136 runs for LDL or LDL-like states). In all these runs, tiny crystallites grow and then melt within 1 μs. Only for N ≤ 343 we observe six events (over 236 runs for LDL or LDL-like states) of spontaneous crystal- lization after crystallites reach an estimated critical size of about 70 ± 10 molecules.

Crystallization and properties of poly(ethylene terephtalate) copolymers containing 5-tert-butyl isophtalic units

The influence of incorporating 5-tert-butyl isophthalic units (tBI) in the polymer chain of poly(ethylene terephthalate) (PET) on the crystallization behavior, crystal structure, and tensile and gas transport properties of this polyester was evaluated. Random poly(ethyleneterephthalate-co-5-tert-butyl isophthalate) copolyesters (PETtBI) containing between 5 and 40 mol% of tBI units were examined. Isothermal crystallization studies were performed on amorphous glassy films at 120 8C and on molten samples at 200 8C by means of differential scanning calorimetry. Furthermore, the non-isothermal crystallization behavior of the copolyesters was investigated. It was observed that both crystallinity and crystallization rate of the PETtBI copolyesters tend to decrease largely with the comonomeric content, except for the copolymer containing 5 mol% of tBI units, which crystallized faster than PET. Fiber X-ray diffraction patterns of the semicrystalline PETtBI copolyesters proved that they adopt the same triclinic crystal structure as PET with the comonomeric units being excluded from the crystalline phase. Although PETtBI copolyesters became brittle for higher contents in tBI, the tensile modulus and strength of PET were barely affected by copolymerization. The ncorporation of tBI units slightly increased the permeability of PET, but copolymers containing up to 20 mol% of the comonomeric units were still able to present barrier properties.

Solid phase crystallization under continuous heating: kinetic and microstructure scaling laws

The kinetics and microstructure of solid-phase crystallization under continuous heating conditions and random distribution of nuclei are analyzed. An Arrhenius temperature dependence is assumed for both nucleation and growth rates. Under these circumstances, the system has a scaling law such that the behavior of the scaled system is independent of the heating rate. Hence, the kinetics and microstructure obtained at different heating rates differ only in time and length scaling factors. Concerning the kinetics, it is shown that the extended volume evolves with time according to αex = [exp(κCt′)]m+1, where t′ is the dimensionless time. This scaled solution not only represents a significant simplification of the system description, it also provides new tools for its analysis. For instance, it has been possible to find an analytical dependence of the final average grain size on kinetic parameters. Concerning the microstructure, the existence of a length scaling factor has allowed the grain-size distribution to be numerically calculated as a function of the kinetic parameters

Modelización de la cinética de solidificación de polímeros

El presente trabajo trata básicamente del estudio experimental de la cinética decristalización de un polímero, el polietilenglicol, de peso molecular medio 400,introduciendo el estudio del mismo polímero al aumentar su peso molecular, PEG 4.000y PEG 6.000.A partir del estudio cinético se intenta llevar a cabo una modelización del proceso decristalización para los polietilenglicoles estudiados mediante varios métodos diferentesy valorar el ajuste obtenido con los datos experimentales a través de la construcción delos diagramas de transformación T-HR-T para el PEG 400 y T-CR-T para los PEGs4000 y 6000. Por otro lado se intenta conseguir una modelización a partir de unosprogramas informáticos facilitados por la universidad

Estudio de la cristalización de vídrios procedentes de rocas magmáticas de Catalunya

En este trabajo se ha estudiado por difracción de rayos X y MEB -I- EDX la nucleación de cinco muestras de vidrios, obtenidos a partir de rocas basálticas de Cataluña. Las diferentes fases obtenidas al nuclear los vidrios sometiéndolos a distintas temperaturas, entre 680° y 770°C, y tiempos entre media y ocho horas, fueron magnetita, clinopiroxeno y plagioclasa. La evolución de estas fases con la variación de las condiciones de tratamiento fue estudiada mediante la realización de gráficas I/t para cada temperatura, donde se aprecia la variación de la intensidad de difracción de las principales reflexiones producidas por estos minerales con el tiempo de tratamiento térmico. En ellas se observa que la nucleación empieza a partir de los 700° C y, después de un cierto tiempo que varía según la temperatura de tratamiento, llamado tiempo de inducción, en el cual el aumento de la nucleación con el tiempo es débil, se incrementa más rápidamente la proporción de las diferentes fases minerales con la duración del tratamiento hasta llegar a una estabilización que se produce a partir de las seis horas. La observación de estas muestras al microscopio electrónico de barrido permitió ver que aparece una microestructura homogéneamente distribuida en las muestras tratadas a partir de los 700°C en la que se distinguen dos fases ricas en Fe y Ti inmersas en una matriz. La fase clara es rica en Mg y pobre en Na y la otra, oscura, al revés. Los microanálisis químicos de dichas fases han sido realizados mediante EDX.

La calorimetría diferencial de barrido y su aplicación a la Ciencia de Materiales

Se pone de manifiesto la idoneidad de la técnica de calorimetría diferencial de barrido para la caracterización de materiales. Se presentan ejemplos específicos de aplicación de dicha técnica en el estudio de los fenómenos ligados a la transición vitrea y cinética de cristalización de vidrios calcogenuros y metálicos así como en el estudio de la reordenación de fases desordenadas metastables.

Quantification of the bond-angle dispersion by Raman spectroscopy and the strain energy of amorphous silicon

A thorough critical analysis of the theoretical relationships between the bond-angle dispersion in a-Si, Δθ, and the width of the transverse optical Raman peak, Γ, is presented. It is shown that the discrepancies between them are drastically reduced when unified definitions for Δθ and Γ are used. This reduced dispersion in the predicted values of Δθ together with the broad agreement with the scarce direct determinations of Δθ is then used to analyze the strain energy in partially relaxed pure a-Si. It is concluded that defect annihilation does not contribute appreciably to the reduction of the a-Si energy during structural relaxation. In contrast, it can account for half of the crystallization energy, which can be as low as 7 kJ/mol in defect-free a-Si