914 resultados para NANOSTRUCTURE FABRICATION
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Memristive materials and devices, which enable information storage and processing on one and the same physical platform, offer an alternative to conventional von Neumann computation architectures. Their continuous spectra of states with intricate field-history dependence give rise to complex dynamics, the spatial aspect of which has not been studied in detail yet. Here, we demonstrate that ferroelectric domain switching induced by a scanning probe microscopy tip exhibits rich pattern dynamics, including intermittency, quasiperiodicity and chaos. These effects are due to the interplay between tip-induced polarization switching and screening charge dynamics, and can be mapped onto the logistic map. Our findings may have implications for ferroelectric storage, nanostructure fabrication and transistor-less logic.
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As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.
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Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
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Doped ceria (CeO2) compounds are fluorite related oxides which show oxide ionic conductivity higher than yttria-stabilized zirconia in oxidizing atmosphere. As a consequence of this, a considerable interest has been shown in application of these materials for low (400-650 degrees C) temperature operation of solid oxide fuel cells (SOFCs). In this paper, our experimental data about the influence of microstructure at the atomic level on electrochemical properties were reviewed in order to develop high quality doped CeO2 electrolytes in fuel cell applications. Using this data in the present paper, our original idea for a design of nanodomain structure in doped CeO2 electrolytes was suggested. The nanosized powders and dense sintered bodies of M doped CeO2 (M:Sm,Gd,La,Y,Yb, and Dy) compounds were fabricated. Also nanostiructural features in these specimens were introduced for conclusion of relationship between electrolytic properties and domain structure in doped CeO2. It is essential that the electrolytic properties in doped CeO2 solid electrolytes reflect in changes of microstructure even down to the atomic scale. Accordingly, a combined approach of nanostructure fabrication, electrical measurement and structure characterization was required to develop superior quality doped CeO2 electrolytes in the fuel cells.
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We report on the first recording of a 300-nm-period structure in a permanently moving sample of a pure fused silica using the tightly-focused, 82 nJ, 267 nm, 300 fs, 1 kHz laser pulses.
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Polymer Optical Fibers have occupied historically a place for large core flexible fibers operating in short distances. In addition to their practical passive application in short-haul communication they constitute a potential research field as active devices with organic dopants. Organic dyes are preferred as dopants over organic semiconductors due to their higher optical cross section. Thus organic dyes as gain media in a polymer fiber is used to develop efficient and narrow laser sources with a tunability throughout the visible region or optical amplifier with high gain. Dyes incorporated in fiber form has added advantage over other solid state forms such as films since the pump power required to excite the molecules in the core of the fiber is less thereby utilising the pump power effectively. In 1987, Muto et.al investigated a dye doped step index polymer fiber laser. Afterwards, numerous researches have been carried out in this area demonstrating laser emission from step index, graded index and hollow optical fibers incorporating various dyes. Among various dyes, Rhodamine6G is the most widely and commonly used laser dye for the last four decades. Rhodamine6G has many desirable optical properties which make it preferable over other organic dyes such as Coumarin, Nile Blue, Curcumin etc. The research focus on the implementation of efficient fiber lasers and amplifiers for short fiber distances. Developing efficient plastic lasers with electrical pumping can be a new proposal in this field which demands lowest possible threshold pump energy of the gain medium in the cavity as an important parameter. One way of improving the efficiency of the lasers, through low threshold pump energy, is by modifying the gain of the amplifiers in the resonator/cavity. Success in the field of Radiative Decay Engineering can pave way to this problem. Laser gain media consisting of dye-nanoparticle composites can improve the efficiency by lowering the lasing threshold and enhancing the photostability. The electric field confined near the surface of metal nanoparticles due to Localized Surface Plasmon Resonance can be very effective for the excitation of active centers to impart high optical gain for lasing. Since the Surface Plasmon Resonance of nanoparticles of gold and silver lies in the visible range, it can affect the spectral emission characteristics of organic dyes such as Rhodamine6G through plasmon field generated by the particles. The change in emission of the dye placed near metal nanoparticles depend on plasmon field strength which in turn depends on the type of metal, size of nanoparticle, surface modification of the particle and the wavelength of incident light. Progress in fabrication of different types of nanostructures lead to the advent of nanospheres, nanoalloys, core-shell and nanowires to name a few. The thesis deals with the fabrication and characterisation of polymer optical fibers with various metallic and bimetallic nanostructures incorporated in the gain media for efficient fiber lasers with low threshold and improved photostability.
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A series of macro–mesoporous TiO2/Al2O3 nanocomposites with different morphologies were synthesized. The materials were calcined at 723 K and were characterized by X-ray diffraction (XRD), Scanning electron microscopy (SEM), Transmission electron microscope (TEM), N2 adsorption/desorption, Infrared Emission Spectroscopy (IES), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and UV–visible spectroscopy (UV–visible). A modified approach was proposed for the synthesis of 1D (fibrous) nanocomposite with higher Ti/Al molar ratio (2:1) at lower temperature (<100 °C), which makes it possible to synthesize such materials on industrial scale. The performance–morphology relationship of as-synthesized TiO2/Al2O3 nanocomposites was investigated by the photocatalytic degradation of a model organic pollutant under UV irradiation. The samples with 1D (fibrous) morphology exhibited superior catalytic performance than the samples without, such as titania microspheres.
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Fe-doped tungsten oxide thin films with different concentrations (0 to 2.6 at%) were synthesized on glass and alumina substrates at room temperature using DC reactive sputtering and subsequently annealed at 300oC for 1 hour in air. The alumina substrate has pre-printed interdigitated Pt-electrodes for gas sensing measurements. The effects of Fe-doping on the film structure and morphology, electronic and optical properties for gas sensing were investigated. The grain size of the different films on the alumina and Pt regions of the substrate vary only slightly between 43-57 nm with median size of about 50 nm. Raman spectra showed that the integrated intensity of W=O to O–W–O bands increases with increasing Fe concentrations and this indicated an increase in the number of defects. From XPS the different concentrations of the Fe-doped films were 0.03 at%, 1.33 at% and 2.6 at%. All the films deposited on glass substrate have shown similar visible transmittance (about 70%) but the optical band gap of the pure film decreased form 3.30 eV to 3.15 eV after doping with 2.6 at% Fe. The Fe-doped WO3 film with the highest Fe concentration (2.6 at% Fe) has shown an enhanced gas sensing properties to NO2 at relatively lower operating temperature (150oC) and this can be attributed to the decrease in the optical band gap and an increase in the number of defects compared to the pure WO3 film.
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Patterning nanostructures on flexible substrates plays a key role in the emerging flexible electronics technology. The flexible electronic devices are inexpensive and can be conformed to any shape. The potential applications for such devices are sensors, displays, solar cells, RFID, high-density biochips, optoelectronics etc. E-beam lithography is established as a powerful tool for nanoscale fabrication, but its applicability on insulating flexible substrates is often limited because of surface charging effects. This paper presents the fabrication of nanostructures on insulating flexible substrates using low energy E-beam lithography along with metallic layers for charge dissipation. Nano Structures are patterned on different substrates of materials such as acetate and PET foils. The fabrication process parameters such as the proximity gap of exposure, the exposure dosage and developing conditions have been optimized for each substrate.
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Roll-to-roll (R2R) gravure exhibits significant advantages such as high precision and throughput for the printing of photoactive and conductive materials and the fabrication of flexible organic electronics such as organic photovoltaics (OPVs). Since the photoactive layer is the core of the OPV, it is important to investigate and finally control the process parameters and mechanisms that define the film morphology in a R2R process. The scope of this work is to study the effect of the R2R gravure printing and drying process on the nanomorphology and nanostructure of the photoactive P3HT:PCBM thin films printed on PEDOT:PSS electrodes towards the fabrication of indium tin oxide (ITO)-free flexible OPVs. In order to achieve this, P3HT:PCBM blends of different concentration were R2R printed under various speeds on the PEDOT:PSS layers. Due to the limited drying time during the rolling, an amount of solvent remains in the P3HT:PCBM films and the slow-drying process takes place which leads to the vertical and lateral phase separation, according to the Spectroscopic Ellipsometry and Atomic Force Microscopy analysis. The enhanced slow-drying leads to stronger phase separation, larger P3HT crystallites according to the Grazing Incidence X-Ray Diffraction data and to weaker mechanical response as it was shown by the nanoindentation creep. However, in the surface of the films the P3HT crystallization is controlled by the impinged hot air during the drying, where the more the drying time the larger the surface P3HT crystallites. The integration of the printed P3HT:PCBM and PEDOT:PSS layers in an OPV device underlined the feasibility of fabricating ITO-free flexible OPVs by R2R gravure processes. © 2013 Elsevier B.V.
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Magnetite dodecahedral nanocrystals were fabricated using ethlenediamine tetraacetic acid (EDTA)-mediated hydrothermal route. Scanning electron microscopy images displayed that the products were almost dodecahedrons. The length of two different ribs were about 300 and 200 nm, respectively. X-ray diffraction patterns showed that the products were the cubic inverse spinel structure. Fourier transform infrared spectrum directly provided evidence of the EDTA bound to a specific surface of the precipitated magnetic nanocrystal.
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Platinum nanoparticles (Pt NPs) were deposited onto multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) through direct chemical reduction without any other stabilizing agents. Transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and cyclic voltammetry were employed to characterize the morphology of the as-prepared nanocomposite (noted as Pt NPs-MWNTs) and further identify the Pt NPs on the surface of MWNTs. The nanocomposite demonstrated the ability to electrocatalyze the oxidation of hydrogen peroxide and substantially raises the response current. A sensitivity of 591.33 mu A mM(-1) cm(-2) was obtained at Pt NPs-MWNTs modified electrode. Thus, we immobilized glucose oxidase (GOD) as a model enzyme on the nanocomposite-based electrode with a thin layer of Nafion to fabricate a glucose biosensor, which showed sensitive and fast response to glucose. The influence of the GOD loading was investigated and the biosensor with an enzyme loading concentration of 10 mg/mL shows optimal performance for glucose detection, that is, a detection limit of 3 mu M and a response time of 3 s, respectively.