Influence of rapid thermal annealing (RTA) on the structural and electrical properties of SnS films

The performance of optoelectronic devices critically depends on the quality of active layer. An effective way to obtain a high quality layers is by creating excess of metal atoms through various heat treatments. Recently, rapid thermal annealing (RTA) has proved a versatile technique for the post-treatment of semiconductor materials as compared to other techniques due to its precise control over the resources. Thus, we carried out a set of experiments on SnS films to explore the influence of RTA treatment on their properties. From these experiments we noticed that the films treated at 400 °C for 1 min in N2 atmosphere have a low electrical resistivity of ~5 Ωcm with relatively high Hall mobility and carrier density of 99 cm2/Vs and 1.3 × 1016 cm−3, respectively. The observed results, therefore, emphasise that it is possible to obtain good quality SnS films through RTA treatment without disturbing their crystal structure.

Plasma enhanced chemical vapour deposited carbon nanotubes for field emission applications

Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition is an extremely versatile technique for directly growing multiwalled carbon nanotubes onto various substrates. We will demonstrate the deposition of vertically aligned nanotube arrays, sparsely or densely populated nanotube forests, and precisely patterned arrays of nanotubes. The high-aspect ratio nanotubes (∼50 nm in diameter and 5 microns long) produced are metallic in nature and direct contact electrical measurements reveal that each nanotube has a current carrying capacity of 107-108 A/cm2, making them excellent candidates as field emission sources. We examined the field emission characteristics of dense nanotube forests as well as sparse nanotube forests and found that the sparse forests had significantly lower turn-on fields and higher emission currents. This is due to a reduction in the field enhancement of the nanotubes due to electric field shielding from adjacent nanotubes in the dense nanotube arrays. We thus fabricated a uniform array of single nanotubes to attempt to overcome these issues and will present the field emission characteristics of this.

Beyond Watson and Crick : programming the self-assembly and reconfiguration of DNA nanostructures based on stacking interactions

Life is the result of the execution of molecular programs: like how an embryo is fated to become a human or a whale, or how a person’s appearance is inherited from their parents, many biological phenomena are governed by genetic programs written in DNA molecules. At the core of such programs is the highly reliable base pairing interaction between nucleic acids. DNA nanotechnology exploits the programming power of DNA to build artificial nanostructures, molecular computers, and nanomachines. In particular, DNA origami—which is a simple yet versatile technique that allows one to create various nanoscale shapes and patterns—is at the heart of the technology. In this thesis, I describe the development of programmable self-assembly and reconfiguration of DNA origami nanostructures based on a unique strategy: rather than relying on Watson-Crick base pairing, we developed programmable bonds via the geometric arrangement of stacking interactions, which we termed stacking bonds. We further demonstrated that such bonds can be dynamically reconfigurable.

The first part of this thesis describes the design and implementation of stacking bonds. Our work addresses the fundamental question of whether one can create diverse bond types out of a single kind of attractive interaction—a question first posed implicitly by Francis Crick while seeking a deeper understanding of the origin of life and primitive genetic code. For the creation of multiple specific bonds, we used two different approaches: binary coding and shape coding of geometric arrangement of stacking interaction units, which are called blunt ends. To construct a bond space for each approach, we performed a systematic search using a computer algorithm. We used orthogonal bonds to experimentally implement the connection of five distinct DNA origami nanostructures. We also programmed the bonds to control cis/trans configuration between asymmetric nanostructures.

The second part of this thesis describes the large-scale self-assembly of DNA origami into two-dimensional checkerboard-pattern crystals via surface diffusion. We developed a protocol where the diffusion of DNA origami occurs on a substrate and is dynamically controlled by changing the cationic condition of the system. We used stacking interactions to mediate connections between the origami, because of their potential for reconfiguring during the assembly process. Assembling DNA nanostructures directly on substrate surfaces can benefit nano/microfabrication processes by eliminating a pattern transfer step. At the same time, the use of DNA origami allows high complexity and unique addressability with six-nanometer resolution within each structural unit.

The third part of this thesis describes the use of stacking bonds as dynamically breakable bonds. To break the bonds, we used biological machinery called the ParMRC system extracted from bacteria. The system ensures that, when a cell divides, each daughter cell gets one copy of the cell’s DNA by actively pushing each copy to the opposite poles of the cell. We demonstrate dynamically expandable nanostructures, which makes stacking bonds a promising candidate for reconfigurable connectors for nanoscale machine parts.

Mechanics of capillary forming of aligned carbon nanotube assemblies.

Elastocapillary self-assembly is emerging as a versatile technique to manufacture three-dimensional (3D) microstructures and complex surface textures from arrangements of micro- and nanoscale filaments. Understanding the mechanics of capillary self-assembly is essential to engineering of properties such as shape-directed actuation, anisotropic wetting and adhesion, and mechanical energy transfer and dissipation. We study elastocapillary self-assembly (herein called "capillary forming") of carbon nanotube (CNT) microstructures, combining in situ optical imaging, micromechanical testing, and finite element modeling. By imaging, we identify sequential stages of liquid infiltration, evaporation, and solid shrinkage, whose kinetics relate to the size and shape of the CNT microstructure. We couple these observations with measurements of the orthotropic elastic moduli of CNT forests to understand how the dynamic of shrinkage of the vapor-liquid interface is coupled to the compression of the forest. We compare the kinetics of shrinkage to the rate of evporation from liquid droplets having the same size and geometry. Moreover, we show that the amount of shrinkage during evaporation is governed by the ability of the CNTs to slip against one another, which can be manipulated by the deposition of thin conformal coatings on the CNTs by atomic layer deposition (ALD). This insight is confirmed by finite element modeling of pairs of CNTs as corrugated beams in contact and highlights the coupled role of elasticity and friction in shrinkage and stability of nanoporous solids. Overall, this study shows that nanoscale porosity can be tailored via the filament density and adhesion at contact points, which is important to the development of lightweight multifunctional materials.

Electronic properties of GaAs, InAs and InP nanowires studied by terahertz spectroscopy.

We have performed a comparative study of ultrafast charge carrier dynamics in a range of III-V nanowires using optical pump-terahertz probe spectroscopy. This versatile technique allows measurement of important parameters for device applications, including carrier lifetimes, surface recombination velocities, carrier mobilities and donor doping levels. GaAs, InAs and InP nanowires of varying diameters were measured. For all samples, the electronic response was dominated by a pronounced surface plasmon mode. Of the three nanowire materials, InAs nanowires exhibited the highest electron mobilities of 6000 cm² V⁻¹ s⁻¹, which highlights their potential for high mobility applications, such as field effect transistors. InP nanowires exhibited the longest carrier lifetimes and the lowest surface recombination velocity of 170 cm s⁻¹. This very low surface recombination velocity makes InP nanowires suitable for applications where carrier lifetime is crucial, such as in photovoltaics. In contrast, the carrier lifetimes in GaAs nanowires were extremely short, of the order of picoseconds, due to the high surface recombination velocity, which was measured as 5.4 × 10⁵ cm s⁻¹. These findings will assist in the choice of nanowires for different applications, and identify the challenges in producing nanowires suitable for future electronic and optoelectronic devices.

Production of carbon nanotubes by PECVD and their applications to supercapacitors

Màster en Nanociència i Nanotecnologia

Experimental verification of suction sampler capture efficiency in grasslands of differing vegetation height and structure

1. Suction sampling is a popular method for the collection of quantitative data on grassland invertebrate populations, although there have been no detailed studies into the effectiveness of the method. 2. We investigate the effect of effort (duration and number of suction samples) and sward height on the efficiency of suction sampling of grassland beetle, true bug, planthopper and spider Populations. We also compare Suction sampling with an absolute sampling method based on the destructive removal of turfs. 3. Sampling for durations of 16 seconds was sufficient to collect 90% of all individuals and species of grassland beetles, with less time required for the true bugs, spiders and planthoppers. The number of samples required to collect 90% of the species was more variable, although in general 55 sub-samples was sufficient for all groups, except the true bugs. Increasing sward height had a negative effect on the capture efficiency of suction sampling. 4. The assemblage structure of beetles, planthoppers and spiders was independent of the sampling method (suction or absolute) used. 5. Synthesis and applications. In contrast to other sampling methods used in grassland habitats (e.g. sweep netting or pitfall trapping), suction sampling is an effective quantitative tool for the measurement of invertebrate diversity and assemblage structure providing sward height is included as a covariate. The effective sampling of beetles, true bugs, planthoppers and spiders altogether requires a minimum sampling effort of 110 sub-samples of duration of 16 seconds. Such sampling intensities can be adjusted depending on the taxa sampled, and we provide information to minimize sampling problems associated with this versatile technique. Suction sampling should remain an important component in the toolbox of experimental techniques used during both experimental and management sampling regimes within agroecosystems, grasslands or other low-lying vegetation types.

Interface microstructure of alumina mechanically metallized with Ti brazed to Fe–Ni–Co using different fillers

NASCIMENTO,R.M. et al.Interface microstructure of alumina mechanically metallized with Ti brazed to Fe–Ni–Co using different fillers. Materials Science and Engineering A, v.466, n.1/2, p. 195-200, 2007.

Advances in hardware and molecular design of polarizing agents for dynamic nuclear polarization

Die Kernmagnetresonanz (NMR) ist eine vielseitige Technik, die auf spin-tragende Kerne angewiesen ist. Seit ihrer Entdeckung ist die Kernmagnetresonanz zu einem unverzichtbaren Werkzeug in unzähligen Anwendungen der Physik, Chemie, Biologie und Medizin geworden. Das größte Problem der NMR ist ihre geringe Sensitivtät auf Grund der sehr kleinen Energieaufspaltung bei Raumtemperatur. Für Protonenspins, die das größte magnetogyrische Verhältnis besitzen, ist der Polarisationsgrad selbst in den größten verfügbaren Magnetfeldern (24 T) nur ~7*10^(-5).rnDurch die geringe inhärente Polarisation ist folglich eine theoretische Sensitivitätssteigerung von mehr als 10^4 möglich. rnIn dieser Arbeit wurden verschiedene technische Aspekte und unterschiedliche Polarisationsagenzien für Dynamic Nuclear Polarization (DNP) untersucht.rnDie technische Entwicklung des mobilen Aufbaus umfasst die Verwendung eines neuen Halbach Magneten, die Konstruktion neuer Probenköpfe und den automatisierten Ablauf der Experimente mittels eines LabVIEW basierten Programms. Desweiteren wurden zwei neue Polarisationsagenzien mit besonderen Merkmalen für den Overhauser und den Tieftemperatur DNP getestet. Zusätzlich konnte die Durchführbarkeit von NMR Experimenten an Heterokernen (19F und 13C) im mobilen Aufbau bei 0,35 T gezeigt werden. Diese Ergebnisse zeigen die Möglichkeiten der Polarisationstechnik DNP auf, wenn Heterokerne mit einem kleinen magnetogyrischen Verhältnis polarisiert werden müssen.rnDie Sensitivitätssteigerung sollte viele neue Anwendungen, speziell in der Medizin, ermöglichen.

Diagnosis and management of developmental dysplasia of the hip from triradiate closure through young adulthood

Abstract The current treatment of painful hip dysplasia in the mature skeleton is based on acetabular reorientation. Reorientation procedures attempt to optimize the anatomic position of the hyaline cartilage of the femoral head and acetabulum in regard to mechanical loading. Because the Bernese periacetabular osteotomy is a versatile technique for acetabular reorientation, it is helpful to understand the approach and be familiar with the criteria for an optimal surgical correction. The femoral side bears stigmata of hip dysplasia that may require surgical correction. Improvement of the head-neck offset to avoid femoroacetabular impingement has become routine in many hips treated with periacetabular osteotomy. In addition, intertrochanteric osteotomies can help improve joint congruency and normalize the femoral neck orientation. Other new surgical techniques allow trimming or reducing a severely deformed head, performing a relative neck lengthening, and trimming or distalizing the greater trochanter.  An increasing number of studies have reported good long-term results after acetabular reorientation procedures, with expected joint preservation rates ranging from 80% to 90% at the 10-year follow-up and 60% to 70% at the 20-year follow-up. An ideal candidate is younger than 30 years, with no preoperative signs of osteoarthritis. Predicted joint preservation in these patients is approximately 90% at the 20-year follow-up. Recent evidence indicates that additional correction of an aspheric head may further improve results.

Numerical methods in Nonlinear Analysis of shell structures

The design of shell and spatial structures represents an important challenge even with the use of the modern computer technology.If we concentrate in the concrete shell structures many problems must be faced,such as the conceptual and structural disposition, optimal shape design, analysis, construction methods, details etc. and all these problems are interconnected among them. As an example the shape optimization requires the use of several disciplines like structural analysis, sensitivity analysis, optimization strategies and geometrical design concepts. Similar comments can be applied to other space structures such as steel trusses with single or double shape and tension structures. In relation to the analysis the Finite Element Method appears to be the most extended and versatile technique used in the practice. In the application of this method several issues arise. First the derivation of the pertinent shell theory or alternatively the degenerated 3-D solid approach should be chosen. According to the previous election the suitable FE model has to be adopted i.e. the displacement,stress or mixed formulated element. The good behavior of the shell structures under dead loads that are carried out towards the supports by mainly compressive stresses is impaired by the high imperfection sensitivity usually exhibited by these structures. This last effect is important particularly if large deformation and material nonlinearities of the shell may interact unfavorably, as can be the case for thin reinforced shells. In this respect the study of the stability of the shell represents a compulsory step in the analysis. Therefore there are currently very active fields of research such as the different descriptions of consistent nonlinear shell models given by Simo, Fox and Rifai, Mantzenmiller and Buchter and Ramm among others, the consistent formulation of efficient tangent stiffness as the one presented by Ortiz and Schweizerhof and Wringgers, with application to concrete shells exhibiting creep behavior given by Scordelis and coworkers; and finally the development of numerical techniques needed to trace the nonlinear response of the structure. The objective of this paper is concentrated in the last research aspect i.e. in the presentation of a state-of-the-art on the existing solution techniques for nonlinear analysis of structures. In this presentation the following excellent reviews on this subject will be mainly used.

Spectroscopie Raman de fibres électrofilées : développement de méthodes et application aux fibres individuelles

L’électrofilage est une technique de mise en œuvre efficace et versatile qui permet la production de fibres continues d’un diamètre typique de quelques centaines de nanomètres à partir de l’application d’un haut voltage sur une solution concentrée de polymères enchevêtrés. L’évaporation extrêmement rapide du solvant et les forces d’élongation impliquées dans la formation de ces fibres leur confèrent des propriétés hors du commun et très intéressantes pour plusieurs types d’applications, mais dont on commence seulement à effleurer la surface. À cause de leur petite taille, ces matériaux ont longtemps été étudiés uniquement sous forme d’amas de milliers de fibres avec les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge ou la diffraction des rayons X. Nos connaissances de leur comportement proviennent donc toujours de la convolution des propriétés de l’amas de fibres et des caractéristiques spécifiques de chacune des fibres qui le compose. Les études récentes à l’échelle de la fibre individuelle ont mis en lumière des comportements inhabituels, particulièrement l’augmentation exponentielle du module avec la réduction du diamètre. L’orientation et, de manière plus générale, la structure moléculaire des fibres sont susceptibles d’être à l'origine de ces propriétés, mais d’une manière encore incomprise. L’établissement de relations structure/propriétés claires et l’identification des paramètres qui les influencent représentent des défis d’importance capitale en vue de tirer profit des caractéristiques très particulières des fibres électrofilées. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des méthodes plus accessibles et permettant des analyses structurales rapides et approfondies sur une grande quantité de fibres individuelles présentant une large gamme de diamètre. Dans cette thèse, la spectroscopie Raman confocale est utilisée pour l’étude des caractéristiques structurales, telles que l’orientation moléculaire, la cristallinité et le désenchevêtrement, de fibres électrofilées individuelles. En premier lieu, une nouvelle méthodologie de quantification de l’orientation moléculaire par spectroscopie Raman est développée théoriquement dans le but de réduire la complexité expérimentale de la mesure, d’étendre la gamme de matériaux pour lesquels ces analyses sont possibles et d’éliminer les risques d’erreurs par rapport à la méthode conventionnelle. La validité et la portée de cette nouvelle méthode, appelée MPD, est ensuite démontrée expérimentalement. Par la suite, une méthodologie efficace permettant l’étude de caractéristiques structurales à l’échelle de la fibre individuelle par spectroscopie Raman est présentée en utilisant le poly(éthylène téréphtalate) comme système modèle. Les limites de la technique sont exposées et des stratégies expérimentales pour les contourner sont mises de l’avant. Les résultats révèlent une grande variabilité de l'orientation et de la conformation d'une fibre à l'autre, alors que le taux de cristallinité demeure systématiquement faible, démontrant l'importance et la pertinence des études statistiques de fibres individuelles. La présence de chaînes montrant un degré d’enchevêtrement plus faible dans les fibres électrofilées que dans la masse est ensuite démontrée expérimentalement pour la première fois par spectroscopie infrarouge sur des amas de fibres de polystyrène. Les conditions d'électrofilage favorisant ce phénomène structural, qui est soupçonné d’influencer grandement les propriétés des fibres, sont identifiées. Finalement, l’ensemble des méthodologies développées sont appliquées sur des fibres individuelles de polystyrène pour l’étude approfondie de l’orientation et du désenchevêtrement sur une large gamme de diamètres et pour une grande quantité de fibres. Cette dernière étude permet l’établissement de la première relation structure/propriétés de ces matériaux, à l’échelle individuelle, en montrant clairement le lien entre l’orientation moléculaire, le désenchevêtrement et le module d'élasticité des fibres.

Spectroscopie Raman de fibres électrofilées : développement de méthodes et application aux fibres individuelles

L’électrofilage est une technique de mise en œuvre efficace et versatile qui permet la production de fibres continues d’un diamètre typique de quelques centaines de nanomètres à partir de l’application d’un haut voltage sur une solution concentrée de polymères enchevêtrés. L’évaporation extrêmement rapide du solvant et les forces d’élongation impliquées dans la formation de ces fibres leur confèrent des propriétés hors du commun et très intéressantes pour plusieurs types d’applications, mais dont on commence seulement à effleurer la surface. À cause de leur petite taille, ces matériaux ont longtemps été étudiés uniquement sous forme d’amas de milliers de fibres avec les techniques conventionnelles telles que la spectroscopie infrarouge ou la diffraction des rayons X. Nos connaissances de leur comportement proviennent donc toujours de la convolution des propriétés de l’amas de fibres et des caractéristiques spécifiques de chacune des fibres qui le compose. Les études récentes à l’échelle de la fibre individuelle ont mis en lumière des comportements inhabituels, particulièrement l’augmentation exponentielle du module avec la réduction du diamètre. L’orientation et, de manière plus générale, la structure moléculaire des fibres sont susceptibles d’être à l'origine de ces propriétés, mais d’une manière encore incomprise. L’établissement de relations structure/propriétés claires et l’identification des paramètres qui les influencent représentent des défis d’importance capitale en vue de tirer profit des caractéristiques très particulières des fibres électrofilées. Pour ce faire, il est nécessaire de développer des méthodes plus accessibles et permettant des analyses structurales rapides et approfondies sur une grande quantité de fibres individuelles présentant une large gamme de diamètre. Dans cette thèse, la spectroscopie Raman confocale est utilisée pour l’étude des caractéristiques structurales, telles que l’orientation moléculaire, la cristallinité et le désenchevêtrement, de fibres électrofilées individuelles. En premier lieu, une nouvelle méthodologie de quantification de l’orientation moléculaire par spectroscopie Raman est développée théoriquement dans le but de réduire la complexité expérimentale de la mesure, d’étendre la gamme de matériaux pour lesquels ces analyses sont possibles et d’éliminer les risques d’erreurs par rapport à la méthode conventionnelle. La validité et la portée de cette nouvelle méthode, appelée MPD, est ensuite démontrée expérimentalement. Par la suite, une méthodologie efficace permettant l’étude de caractéristiques structurales à l’échelle de la fibre individuelle par spectroscopie Raman est présentée en utilisant le poly(éthylène téréphtalate) comme système modèle. Les limites de la technique sont exposées et des stratégies expérimentales pour les contourner sont mises de l’avant. Les résultats révèlent une grande variabilité de l'orientation et de la conformation d'une fibre à l'autre, alors que le taux de cristallinité demeure systématiquement faible, démontrant l'importance et la pertinence des études statistiques de fibres individuelles. La présence de chaînes montrant un degré d’enchevêtrement plus faible dans les fibres électrofilées que dans la masse est ensuite démontrée expérimentalement pour la première fois par spectroscopie infrarouge sur des amas de fibres de polystyrène. Les conditions d'électrofilage favorisant ce phénomène structural, qui est soupçonné d’influencer grandement les propriétés des fibres, sont identifiées. Finalement, l’ensemble des méthodologies développées sont appliquées sur des fibres individuelles de polystyrène pour l’étude approfondie de l’orientation et du désenchevêtrement sur une large gamme de diamètres et pour une grande quantité de fibres. Cette dernière étude permet l’établissement de la première relation structure/propriétés de ces matériaux, à l’échelle individuelle, en montrant clairement le lien entre l’orientation moléculaire, le désenchevêtrement et le module d'élasticité des fibres.

Production of Highly Monolayer Enriched Dispersions of Liquid-Exfoliated Nanosheets by Liquid Cascade Centrifugation

While liquid exfoliation is a powerful technique to produce defect-free nanosheets in large quantities, its usefulness is limited by broad nanosheet thickness distributions and low monolayer contents. Here we demonstrate liquid processing techniques, based on iterative centrifugation cascades, which can be designed to achieve either highly efficient nanosheet size-selection and/ or monolayer enrichment. The resultant size-selected dispersions were used to establish quantitative metrics to determine monolayer volume fraction, as well as mean nanosheet size and thickness, from standard spectroscopic measurements. Such metrics allowed us to design and optimize centrifugation cascades to enrich liquid exfoliated WS2 dispersions up to monolayer contents of 75%. Monolayer-rich dispersions show relatively bright photoluminescence with narrow line widths (

Interface microstructure of alumina mechanically metallized with Ti brazed to Fe–Ni–Co using different fillers

NASCIMENTO,R.M. et al.Interface microstructure of alumina mechanically metallized with Ti brazed to Fe–Ni–Co using different fillers. Materials Science and Engineering A, v.466, n.1/2, p. 195-200, 2007.