Electron energy loss spectroscopy: physical principles, state of the art and applications to the nanosciences

In the present work we review the way in which the electron-matter interaction allows us to perform electron energy loss spectroscopy (EELS), as well as the latest developments in the technique and some of the most relevant results of EELS as a characterization tool in nanoscience and nanotechnology.

Transparent oxide thin-film transistors: production, characterization and integration

In partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Nanotechnologies and Nanosciences by Universidade Nova de Lisboa Faculdade de Ciências e Tecnologia

Développement d'un outil de gestion graduée des risques spécifique au cas des nanomatériaux : rapport d'appui scientifique et technique

L' évaluation quantitative des dangers et des expositions aux nanomatériaux se heurte à de nombreuses incertitudes qui ne seront levées qu'à mesure de la progression des connaissances scientifiques de leurs propriétés. L' une des conséquences de ces incertitudes est que les valeurs limites d'exposition professionnelle définies actuellement pour les poussières ne sont pas nécessairement pertinentes aux nanomatériaux. En l'absence de référentiel quantitatif et, à la demande de la DGS pour éclairer les réflexions de l' AFNOR et de l'ISO sur le sujet, une démarche de gestion graduée des risques (control banding) a été élaborée au sein de l' Anses. Ce développement a été réalisé à l'aide d'un groupe d'experts rapporteurs rattaché au Comité d'experts spécialisés évaluation des risques liés aux agents physiques, aux nouvelles technologies et aux grands aménagements. La mise en oeuvre de la démarche de gestion graduée des risques proposée repose sur quatre grandes étapes: 1. Le recueil des informations. Cette étape consiste à réunir les informations disponibles sur les dangers du nanomatériau manufacturé considéré ; ainsi que sur l'exposition potentielle des personnes aux postes de travail (observation sur le terrain, mesures, etc.). 2. L'attribution d'une bande de danger. Le danger potentiel du nanomatériau manufacturé présent, qu'il soit brut où incorporé dans une matrice (liquide ou solide) est évalué dans cette étape. La bande danger attribuée tient compte de la dangerosité du produit bulk ou de sa substance analogue à l'échelle non-nanométrique, de la bio-persistance du matériau (pour les matériaux fibreux), de sa solubilité et de son éventuelle réactivité. 3. Attribution d'une bande d'exposition. La bande d'exposition du nanomatériau manufacturé considéré ou du produit en contenant est définie par le niveau de potentiel d'émission du produit. Elle tient compte de sa forme physique (solide, liquide, poudre aérosol), de sa pulvérulence et de sa volatilité. Le nombre de travailleurs, la fréquence, la durée d'exposition ainsi que la quantité mise en oeuvre ne sont pas pris en compte, contrairement à une évaluation classique des risques chimiques. 4. Obtention d'une bande de maîtrise des risques. Le croisement des bandes de dangers et d'exposition préalablement attribuées permet de défi nir le niveau de maîtrise du risque. Il fait correspondre les moyens techniques et organisationnels à mettre en oeuvre pour maintenir le risque au niveau le plus faible possible. Un plan d'action est ensuite défi ni pour garantir l'effi cacité de la prévention recommandée par le niveau de maîtrise déterminé. Il tient compte des mesures de prévention déjà existantes et les renforce si nécessaire. Si les mesures indiquées par le niveau de maîtrise de risque ne sont pas réalisables, par exemple, pour des raisons techniques ou budgétaires, une évaluation de risque approfondie devra être réalisée par un expert. La gestion graduée des risques est une méthode alternative pour réaliser une évaluation qualitative de risques et mettre en place des moyens de prévention sans recourir à une évaluation quantitative des risques. Son utilisation semble particulièrement adaptée au contexte des nanomatériaux manufacturés, pour lequel les choix de valeurs de référence (Valeurs limites d'exposition en milieu professionnel) et des techniques de mesurage appropriées souffrent d'une grande incertitude. La démarche proposée repose sur des critères simples, accessibles dans la littérature scientifi que ou via les données techniques relatives aux produits utilisés. Pour autant, sa mise en oeuvre requiert des compétences minimales dans les domaines de la prévention des risques chimiques (chimie, toxicologie, etc.), des nanosciences et des nanotechnologies.

Ce que les nanoparticules font aux chimistes

En observant les dynamiques scientifiques et institutionnelles à l'oeuvre autour du développement des nanosciences et des nanotechnologies, on observe des rapprochements entre certaines disciplines, dont la chimie, et la transformation de leur identité et de leurs frontières. Ce chapitre rend compte de la manière dont la communauté des chimistes réagit à ces transformations mais aussi comment elle perçoit les alertes sur l'environnement et sur les risques toxicologiques et éco-toxicologiques potentiels et ce qu'elle en fait. On constate alors que les nanoparticules impactent la communauté chimique et contribuent à la verdir (en termes d'image dans la société comme en termes de réduction effectives des nuisances) encore un peu plus. Le texte tente de qualifier le phénomène et de répondre finalement à la question : « comment les nanoparticules poussent la chimie vers le développement durable ? »

Structural and optical properties of InAs/GaAs quantum structures

The goal of the thesis was to study fundamental structural and optical properties of InAs islands and In(Ga)As quantum rings. The research was carried out at the Department of Micro and Nanosciences of Helsinki University of Technology. A good surface quality can be essential for the potential applications in optoelectronic devices. For such device applications it is usually necessary to control size, density and arrangement of the islands. In order to study the dependence of the structural properties of the islands and the quantum rings on growth conditions, atomic force microscope was used. Obtained results reveal that the size and the density of the In(Ga)As quantum rings strongly depend on the growth temperature, the annealing time and the thickness of the partial capping layer. From obtained results it is possible to conclude that to get round shape islands and high density one has to use growth temperature of 500 ̊C. In the case of formation of In(Ga)As quantum rings the effect of mobility anisotropy is observed that so the shape of the rings is not symmetric. To exclude this effect it is preferable to use a higher annealing temperature of 570 ̊C. Optical properties were characterized by PL spectroscopy. PL emission was observed from buried InAs quantum dots and In(Ga)As quantum rings grown with different annealing time and temperature and covered with a various thickness of the partial capping layer.

Potencial risks of nanoparticles

Nanotoxicology is an emergent important subdiscipline of Nanosciences, which refers to the study of the interactions of nanostructures with biological systems giving emphasis to the elucidation of the relationship between the physical and chemical properties of nanostructures with induction of toxic biological responses. Although potential beneficial effects of nanotechnologies are generally well described, the potential (eco) toxicological effects and impacts of nanoparticles have so far received little attention. This is the reason why some routes of expousure, distribution, metabolism, and excretion, as well as toxicological effects of nanoparticles are discussed in this review.

Le « nanomonde » et le renversement de la distinction entre nature et technique : entre l’artificialisation de la nature et la naturalisation de la technique

Les nanosciences et les nanotechnologies (NST) s’inscrivent dans un champ technoscientifique, le nanomonde, qui a pour socle l’hybridation autant conceptuelle que pratique entre le domaine de la nature et celui de la technique. Dans ce mémoire nous nous intéressons au basculement de la distinction entre le naturel et l’artificiel qui s’ensuit. Un retour socio-historique sur la construction du dualisme nature/artifice propre aux sociétés modernes nous aide alors à saisir les enjeux socio-culturels impliqués dans sa remise en question. La déconstruction, à travers la méthode d’analyse de discours, d’entretiens réalisés avec les principaux chercheurs en NST au Québec illustre empiriquement, tout en le systématisant, le double processus d’artificialisation de la nature et de naturalisation de la technique, pointé théoriquement comme caractéristique de la remise en cause de la distinction entre nature et artifice qu’opère le nanomonde. Nous suggérons que l’artificialisation de la nature et la naturalisation de la technique, loin d’être contradictoires, constituent des éléments d’une dynamique synergique dont le résultat est une désontologisation de la nature comme catégorie de la pensée et une déqualification du monde qui distingue l’activité humaine.

Structural and reduction studies of ZrO2-CeO2:Ni for application in SOFC anodes.

Zirconia-ceria solid-solutions are extensively used as promoters for three-way catalysts, which are applied in the control of NOx, CO and hydrocarbons emission from automotive exhausts. In addition, thesematerials can be used as anodes in solid oxide fuel cells (SOFCs) operated with hydrocarbons. There areonly few works on ZrO2-CeO2 ordered mesoporous materials for catalytic applications and for anodes inSOFCs. The interest in these anodes relies on the fact that ZrO2-CeO2materials are mixed ionic/electronic conductors in reducing atmosphere and, therefore, fuel oxidation is produced on its entire surface, while it only occurs in the [anode/electrolyte/gas] interface (triple-phase boundaries) for electronic conductors. In this work, a synthesis method was developed usingZr and Ce chloride precursors, HCl aqueous solution, Pluronic P123 as the structure directing agent, NH4OH to adjust the pH (3-4) and a Teflon autoclave to perform hydrothermal treatment (80ºC/48 hours). The samples were dried and calcined, until 540ºC in N2and 4 hours in air. The X-ray diffraction data showed that powders with higher CeO2 content are formed by a larger fraction of the cubic CeO2 phase, while for a lower CeO2content the major crystalline structure is the tetragonal ZrO2 phase. The NiO impregnation was made with an ethanol dispersion of Ni(NO3)×6H2O. The resulting powder was calcinated in air until 350ºC for 2 hours. Temperature-programmed reduction (TPR) data were collected in order to evaluate the reduction profiles of ZrO2-x%CeO2:Ni samples in H2/Ar atmosphere. Results showed lower reduction temperatures for all ceria content in samples comparing to a NiO standard.

Looking for silicene: studies of silicon deposition on metallic and semiconductor substrates

Nel presente lavoro espongo i risultati degli esperimenti svolti durante la mia internship all’Institut des NanoSciences de Paris (INSP), presso l’Università Pierre et Marie Curie (Paris VI), nel team "Phisico-Chimie et Dynamique des Surfaces", sotto la supervisione del Dott. Geoffroy Prévot. L’elaborato è stato redatto e in- tegrato sotto la guida del Dott. Pasquini, del dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna. La tesi s’inserisce nel campo di ricerca del silicene, i.e. l’allotropo bidimensionale del silicio. Il cosidetto free-standing silicene è stato predetto teoricamente nel 2009 utilizzando calcoli di Density Functional Theory, e da allora ha stimolato un’intensa ricerca per la sua realizzazione sperimentale. La sua struttura elettronica lo rende particolarmente adatto per eventuali appli- cazioni tecnologiche e sperimentali, mentre lo studio delle sue proprietà è di grande interesse per la scienza di base. Nel capitolo 1 presento innanzitutto la struttura del silicene e le proprietà previste dagli studi pubblicati nella letteratura scientifica. In seguito espongo alcuni dei risultati sperimentali ottenuti negli ultimi anni, in quanto utili per un paragone con i risultati ottenuti durante l’internship. Nel capitolo 2 presento le tecniche sperimentali che ho utilizzato per effettuare le misure. Molto tempo è stato investito per ottenere una certa dimistichezza con gli apparati in modo da svolgere gli esperimenti in maniera autonoma. Il capitolo 3 è dedicato alla discussione e analisi dei risultati delle misure, che sono presentati in relazione ad alcune considerazioni esposte nel primo capitolo. Infine le conclusioni riassumono brevemente quanto ottenuto dall’analisi dati. A partire da queste considerazioni propongo alcuni esperimenti che potrebbero ulteriormente contribuire alla ricerca del silicene. I risultati ottenuti su Ag(111) sono contenuti in un articolo accettato da Physical Review B.

Frequency-dependent opacity calculations for radiation transport simulations

We will present recent developments in the calculation of opacity tables suitable for including in the radiation hydrodynamic code ARWEN [1] to study processes like ICF or X-ray secondary sources. For these calculations we use the code BiG BART in LTE conditions, with self-consistent data generated with the Flexible Atomic Code (FAC) [2]. Non-LTE effects are approximately taken into account by means of the improved RADIOM model [3], which makes use of existing LTE data tables.