Nanostructured transition metal oxynitrides for energy storage devices

 In this work, transition metal oxynitrides are investigated as candidates for applications in energy storage devices. More specifically, their performance in supercapacitors and in metal-air batteries is explored.

Evolution of the electrochemical capacitance of transition metal oxynitrides with time: the effect of ageing and passivation

A number of transition metal nitrides and oxynitrides, which are actively investigated today as electrode materials in a wide range of energy conversion and storage devices, possess an oxide layer on the surface. Upon exposure to ambient air, properties of this layer progressively change in the process known as "ageing". Since a number of electrochemical processes involve the surface or sub-surface layers of the active electrode compounds only, ageing could have a significant effect on the overall performance of energy conversion and storage devices. In this work, the influence of the ageing of tungsten and molybdenum oxynitrides on their electrochemical properties in supercapacitors is explored for the first time. Samples are synthesised by the temperature-programmed reduction in NH3 and are treated with different gases prior to exposure to air in order to evaluate the role of passivation in the ageing process. After the synthesis, products are subjected to controlled ageing and are characterised by low temperature nitrogen adsorption, X-ray photoelectron spectroscopy and transmission electron microscopy. Capacitive properties of the compounds are evaluated by performing cyclic voltammetry and galvanostatic charge and discharge measurements in the 1 M H2SO4 electrolyte. © 2014 the Partner Organisations.

Studio delle proprieta ottiche di film di silicon oxynitrides (sion) per applicazioni fotovoltaiche

Nelle celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer) attualmente in circolazione il materiale maggiormente utilizzato è sicuramente il silicio, per la sua buona caratteristica di assorbimento e disponibilità in natura. Tuttavia, la struttura amorfa del silicio impiegato come emettitore, limita fortemente la conducibilità e aumenta gli effetti di degradazione legati all'esposizione alla luce. In quest'ottica, nel presente lavoro di tesi, vengono analizzati sottili layers di Silicon Oxynitride ossigenato, depositati in forma nanocristallina presso l'Università di Costanza su substrati in vetro, tramite PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Il materiale, che non presenta i difetti intrinseci della forma amorfa, è dal punto di vista delle proprietà fisiche fondamentali ancora poco conosciuto e rappresenta una possibile alternativa agli analoghi campioni in forma amorfa. Le misure e le analisi presentate in questa tesi, svolte presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna, sono finalizzate ad indagare le principali proprietà ottiche, quali l'energy gap e l'indice di rifrazione dei layers. I risultati ottenuti, espressi in funzione dei parametri di deposizione, mostrano che un aumento della concentrazione di ossigeno in fase di deposito implica un aumento lineare dell'ampiezza dell'energy gap e un calo dell'indice di rifrazione. Anche altri parametri come la potenza di deposito e il tempo di annealing sembrano giocare un ruolo importante sul valore dell'energy gap. I risultati appaiono inoltre essere in buon accordo con quanto ottenuto da studi precedenti su layers simili ma con una maggiore fase amorfa. In conclusione, la possibilità di regolare il valore dell'energy gap e l'indice di rifrazione in base ai parametri di deposizione, unita alle buone prerogative tipiche dei materiali cristallini, conferisce al materiale buone prospettive per applicazioni fotovoltaiche come emettitori in celle ad eterogiunzione o rivestimenti con proprietà antiriflettenti

Compositional analysis of thin film amorphous semiconductors and insulators using LIMA

LIMA (Laser-induced Ion Mass Analysis) is a new technique capable of compositional analysis of thin films and surface regions. Under UHV conditions a focused laser beam evaporates and ionizes a microvolume of specimen material from which a mass spectrum is obtained. LIMA has been used to examine a range of thin film materials with applications in electronic devices. The neutral photon probe avoids charging problems, and low conductivity materials are examined without prior metallization. Analyses of insulating silicon oxides, nitrides, and oxynitrides confirm estimates of composition from infrared measurements. However, the hydrogen content of hydrogenated amorphous silicon (a-Si : H) found by LIMA shows no correlation with values given by infrared absorption analysis. Explanations are proposed and discussed. © 1985.

Filmes finos dielétricos para dispositivos microeletrônicos avançados

Apresentamos mecanismos de formação e de degradação térmica de filmes fi- nos (espessura da ordem de 10 nm) de diferentes dielétricos sobre substrato de silício monocristalino. Tendo em vista a aplicação dessas estruturas em MOSFETs (transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor), estudamos o consagrado óxido de silício (SiO2), os atuais substitutos oxinitretos de silício (SiOxNy) e o possível substituto futuro óxido de alumínio (Al2O3). Nossos resultados experimentais baseiam-se em técnicas preparativas de substituição isotópica e de caracterização física com feixes de íons (análise com reações nucleares) ou raios- X (espectroscopia de fotoelétrons). Observamos que: (a) átomos de silício não apresentam difusão de longo alcance (além de ~ 2 nm) durante o crescimento de SiO2 por oxidação térmica do silício em O2; (b) nitretação hipertérmica é capaz de produzir filmes finos de oxinitreto de silício com até dez vezes mais nitrogênio que o resultante do processamento térmico usual, sendo que esse nitrogênio tende a se acumular na interface SiOxNy/Si; e (c) átomos de oxigênio, alumínio e silício migram e promovem reações químicas durante o recozimento térmico de estruturas Al2O3/SiO2/Si em presença de O2. Desenvolvemos um modelo de difusão-reação que poderá vir a permitir o estabelecimento de condições ótimas de processamento térmico para filmes finos de Al2O3 sobre silício a serem empregados na fabricação de MOSFETs.