145 research outputs found

    Estudo de materiais multiferroicos

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    Doutoramento em FísicaThe present PhD work aims the research and development of materials that exhibit multiferroic properties, in particular having a significant interaction between ferromagnetism and ferroelectricity; either directly within an intrinsic single phase or by combining extrinsic materials, achieving the coupling of properties through mechanic phenomena of the respective magnetostriction and piezoelectricity. These hybrid properties will allow the cross modification of magnetic and electric polarization states by the application of cross external magnetic and/or electric fields, giving way to a vast area for scientific investigation and potential technological applications in a new generation of electronic devices, such as computer memories, signal processing, transducers, sensors, etc. Initial experimental work consisted in chemical synthesis of nano powders oxides by urea pyrolysis method: A series of ceramic bulk composites with potential multiferroic properties comprised: of LuMnO3 with La0.7Sr0.3MnO3 and BaTiO3 with La0.7Ba0.3MnO3; and a series based on the intrinsic multiferroic LuMn1-zO3 phase modified with of Manganese vacancies. The acquisition of a new magnetron RF sputtering deposition system, in the Physics Department of Aveiro University, contributed to the proposal of an analogous experimental study in multiferroic thin films and multilayer samples. Besides the operational debut of this equipment several technical upgrades were completed like: the design and construction of the heater electrical contacts; specific shutters and supports for the magnetrons and for the substrate holder and; the addition of mass flow controllers, which allowed the introduction of N2 or O2 active atmosphere in the chamber; and the addition of a second RF generator, enabling co-deposition of different targets. Base study of the deposition conditions and resulting thin films characteristics in different substrates was made from an extensive list of targets. Particular attention was given to thin film deposition of magnetic phases La1-xSrxMnO3, La1-xBaxMnO3 and Ni2+x-yMn1-xGa1+y alloy, from the respective targets: La0.7Sr0.3MnO3, La0.7Ba0.3MnO3; and NiGa with NiMn. Main structural characterization of samples was performed by conventional and high resolution X-Ray Diffraction (XRD); chemical composition was determined by Electron Dispersion Spectroscopy (EDS); magnetization measurements recur to a Vibrating Sample Magnetometer (VSM) prototype; and surface probing (SPM) using Magnetic-Force (MFM) and Piezo-Response (PFM) Microscopy. Results clearly show that the composite bulk samples (LuM+LSM and BTO+LBM) feat the intended quality objectives in terms of phase composition and purity, having spurious contents below 0.5 %. SEM images confirm compact grain packaging and size distribution around the 50 nm scale. Electric conductivity, magnetization intensity and magneto impedance spreading response are coherent with the relative amount of magnetic phase in the sample. The existence of coupling between the functional phases is confirmed by the Magnetoelectric effect measurements of the sample “78%LuM+22%LSM” reaching 300% of electric response for 1 T at 100 kHz; while in the “78%BTO+22%LBM” sample the structural transitions of the magnetic phase at ~350 K result in a inversion of ME coefficient the behavior. A functional Magneto-Resistance measurement system was assembled from the concept stage until the, development and operational status; it enabled to test samples from 77 to 350 K, under an applied magnetic field up to 1 Tesla with 360º horizontal rotation; this system was also designed to measure Hall effect and has the potential to be further upgraded. Under collaboration protocols established with national and international institutions, complementary courses and sample characterization studies were performed using Magneto-Resistance (MR), Magneto-Impedance (MZ) and Magneto-Electric (ME) measurements; Raman and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS); SQUID and VSM magnetization; Scanning Electron Microscopy (SEM) and Rutherford Back Scattering (RBS); Scan Probe Microscopy (SPM) with Band Excitation Probe Spectroscopy (BEPS); Neutron Powder Diffraction (NPD) and Perturbed Angular Correlations (PAC). Additional collaboration in research projects outside the scope of multiferroic materials provided further experience in sample preparation and characterization techniques, namely VSM and XPS measurements were performed in cubane molecular complex compounds and enable to identify the oxidation state of the integrating cluster of Ru ions; also, XRD and EDS/SEM analysis of the acquired targets and substrates implied the devolution of some items not in conformity with the specifications. Direct cooperation with parallel research projects regarding multiferroic materials, enable the assess to supplementary samples, namely a preliminary series of nanopowder Y1-x-yCaxØyMn1O3 and of Eu0.8Y0.2MnO3, a series of micropowder composites of LuMnO3 with La0.625Sr0.375MnO3 and of BaTiO3 with hexagonal ferrites; mono and polycrystalline samples of Pr1-xCaxMnO3, La1-xSrxMnO3 and La1-xCaxMnO3.O trabalho de doutoramento presente tem por objectivo a pesquisa e desenvolvimento de materiais que manifestem propriedades multiferróicas, em particular com uma significativa interacção entre os fenómenos de ferromagnetismo e ferroelectricidade; seja de forma intrínseca em determinados materiais singulares, ou extrínseca ao combinar materiais que apresentam respectivamente fenómenos magnetoestritivo e de piezoelectricidade e em que geralmente o acoplamento se processa mecanicamente entre as fases. Esta hibridação de propriedades permite a modificação dos estados de polarização magnética ou eléctrica por aplicação dos campos externos complementares (eléctricos e/ou magnéticos), dando origem a uma vasta área de investigação científica e potenciais aplicações tecnológicas numa nova geração de dispositivos electrónicos como memórias, processadores, transdutores, sensores, etc. O trabalho experimental inicial consistiu na síntese química de óxidos sob a forma de pós nanométricos, pelo método de pirólise da ureia; As séries de compósitos maciços com potenciais propriedades multiferróicas compreendem: LuMnO3 com La0.7Sr0.3MnO3 e BaTiO3 com La0.7Ba0.3MnO3; e uma série baseada na modificação com lacunas de Manganésio da fase multiferróica intrínseca LuMn1-zO3. A aquisição de um novo sistema de deposição por RF sputtering, no Departamento de Física da Universidade de Aveiro, contribuiu para a proposta de estudo análogo de amostras multiferróicas sob a forma de filmes finos e multicamadas. Além da estreia operacional do equipamento foram efectuadas algumas melhorias técnicas e funcionais de que se destacam: o desenho e construção das ligações eléctricas do aquecedor; de portadas, protecções e respectivos suportes para os magnetrões e para o “porta substratos”; a adição de dois controladores de fluxo de gás permitindo a introdução controlada de Árgon e de atmosfera activa de O2 ou N2 durante a deposição; e a adição de uma segunda fonte e controlador RF permitindo a co-deposição simultânea de filmes a partir de dois alvos diferentes. O estudo base sobre as condições de deposição e das características dos filmes finos resultantes em diferentes substratos foi efectuada a partir de uma extensa lista de alvos. Atenção particular foi dada à deposição de filmes finos das fases magnéticas de La1-xSrxMnO3, La1-xBaxMnO3 e da liga Ni2+x-yMn1-xGa1+y a partir dos correspondentes alvos La0.7Sr0.3MnO3; La0.7Ba0.3MnO3 e NiGa com NiMn. A caracterização estrutural das amostras foi efectuada com Difractometria por Raios-X (XRD) convencional e de elevada resolução; determinação da composição química foi essencialmente realizada por Espectroscopia de Dispersão de Electrões (EDS); medidas de magnetização foram executadas com recurso a um protótipo de Magnetometro por Vibração da Amostra (VSM) e as medidas de análise de superfície utilizaram Microscopia de Ponta (SPM) nas vertentes de piezo resposta (PFM) e de força magnética (MFM). Os resultados obtidos nos compósitos maciços (LuM+LSM e BTO+LBM) demonstram claramente que as amostras satisfazem os objectivos propostos em termos de composição pureza das fases, com eventual conteúdo em óxidos espúrios inferior a 0.5%. Imagens obtidas por SEM confirmam a compactação dos grãos e distribuição de tamanhos em torno dos 50 nm. Condutividade eléctrica, intensidade da magnetização e a dispersão da resposta em Magneto-Impedância são coerentes com a proporção relativa da fase magnética em cada amostra. A existência de um acoplamento entre as fases funcionais é evidenciada por medidas de efeito Magneto-Eléctrico na amostra “78%LuM+22%LSM” que apresenta uma resposta eléctrica de ~300% para 1 Tesla a 100 kHz; enquanto que na amostra “78%BTO+22%LBM” se assinala a transição estrutural da fase magnética a ~350 K resulta na inversão do comportamento do coeficiente ME. Um sistema de Medidas de Magneto-Resistência foi totalmente desenvolvido e montado desde a fase conceptual até ao estado operacional; permite testar amostras de 77 a 350 K em função do campo magnético até 1 Tesla, e rotação horizontal de 360º; o sistema foi também desenhado para poder efectuar medidas de efeito de Hall e permitir upgrades. Ao abrigo de protocolos de colaboração estabelecidos com diversas instituições nacionais e internacionais, foram realizados cursos de formação complementar e caracterização de amostras em técnicas como Magneto Resistência (MR), Magneto Impedância (MZ) e efeito Magneto Eléctrico (ME); Espectroscopia Raman e Fotoelectrónica de Raios-X (XPS); Magnetização via sistemas SQUID e VSM; Microscopia de Ponta em Piezo resposta (PFM) e Espectroscopia de excitação em largura de banda (BEPS); Espectroscopia de Rutherford por Retro dispersão (RBS); Difracção de Neutrões em pós (NPD) e Correlações de Perturbação Angular (PAC) Colaboração em projectos de investigação fora do âmbito dos materiais multiferróicos permitiu ampliar e versatilizar experiencia em técnicas de preparação e caracterização de amostras, nomeadamente medidas de VSM e XPS permitiram identificar os estados de oxidação dos clusters de iões de Ruténio que integram complexos moleculares utilizados em catalisadores; A certificação por XRD e SEM/EDS do conjunto dos alvos e amostragem dos substratos adquiridos implicou a devolução de alguns itens com por falta de conformidade com as especificações. Cooperação directa em projectos de investigação paralelos sobre materiais multiferróicos permitiu o acesso a amostras suplementares, nomeadamente a uma série nano pós de Y1-x-yCaxØyMn1O3 e de Eu0.8Y0.2MnO3; a series de compósitos microestruturados de LuMnO3 com La0.625Sr0.375MnO3 e de BaTiO3 com ferrites hexagonais; e a diversas amostras poli- e mono-cristalinas de Pr1-xCaxMnO3, La1-xSrxMnO3 e La1-xCaxMnO3.FCT - SFRH/BD/25011/200

    Biomimetic route to hybrid nano-Composite scaffold for tissue engineering

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    Hydroxyapatite-poly(vinyl) alcohol-protein composites have been prepared by a biomimetic route at ambient conditions, aged for a fortnight at 30±2°C and given a shape in the form of blocks by thermal cycling. The structural characterizations reveal a good control over the morphology mainly the size and shape of the particles. Initial mechanical studies are very encouraging. Three biocompatibility tests, i.e., hemocompatibility, cell adhesion, and toxicity have been done from Shree Chitra Tirunal, Trivandrum and the results qualify their standards. Samples are being sent for more biocompatibility tests. Optimization of the blocks in terms of hydroxyapatite and polymer composition w.r.t the applications and its affect on the mechanical strength have been initiated. Rapid prototyping and a β-tricalcium – hydroxyapatite combination in composites are in the offing

    Synthesis, Characterisation and Functionalisation of Magnetic Nanoparticles for Biomedical Applications

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    Nanotechnology is a relatively new interdisciplinary field to which much attention has been paid for the last years. It involves researchers from very different areas: Chemistry, Physics, Biology, Biochemistry, Chemical Engineering, Materials Science or Medicine. In the interface of all these disciplines lay the possibility to tackle new challenges, unthinkable a few years ago [Klabunde2001]. Nanoscience has opened many possibilities in most technology areas, unreachable so far. It is devoted to the studies of phenomena at the nanoscale, that is, the limit “where the smallest man-made devices meet the atoms and molecules of the natural world” [Wong1999]. Nanoscience is based on the fabrication and characterization of nanostructured, or nanophase systems. These can be three- dimensional: nanoparticles or nanospheres, two-dimensional: thin films, or one- dimensional: quantum dots. The nanoscale regime is a very special point in the length scale, at which the classical laws of physics are not suitable for the explanation of many phenomena, so quantum approaches are needed. Significant changes in the chemical and physical properties of materials take place at the limit at which the interactions correlation length (electrical, magnetic, crystalline...) is of the same order of magnitude of the system size. That opens new possibilities for the development of smart new functional materials, like improved catalysts, polymers, ceramics, tissues, solid state medicines or drug carriers..

    μSQUID susceptometry of molecular qubits

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    El objetivo fundamental de este trabajo es la investigación de las propiedades magnéticas de distintos tipos de partículas pertenecientes a dos mundos: el mundo cuántico, representado por una nueva familia de imanes moleculares, y el mundo clásico, representado por una serie de nanopartículas magnéticas sintetizadas en ferritina. Estos estudios han sido realizados por medio de medidas de susceptibilidad magnética ac a muy bajas temperaturas, utilizando para ello susceptómetros uSQUID enormemente sensibles desarrollados también como parte de este trabajo

    Polyimides for piezoelectric materials, magnetoelectric nanocomposites and battery separators: synthesis and characterization

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    329 p.Se ha sintetizado una serie de poliimidas y copoliimidas que contienen grupos nitrilo en su estructura, y posteriormente han sido polarizadas por corona con objeto de dotarlas de comportamiento piezoeléctrico. Las condiciones de la polarización por corona han sido optimizadas para las muestras estudiadas, mostrando los coeficientes una buena estabilidad térmica y a lo largo del tiempo. Además, se ha estudiado la influencia en la piezoelectricidad de la unidad repetitiva con dos grupos nitrilo, observando que un incremento progresivo del contenido en el componente con dos grupos nitrilo (2CN) aumenta la respuesta piezoeléctrica. Los films poliméricos han demostrado alta estabilidad térmica mediante DSC y TGA, demostrando su uso a temperaturas superiores a 100ºC.Las propiedades dieléctricas de las muestras han sido determinadas mediante espectroscopia dieléctrica para comprender el comportamiento dieléctrico de los films de poliimida. Se ha analizado la contribución de los grupos nitrilo en las relajaciones dieléctricas y en los tipos de polarización que se ven implicados.El uso de poliimidas en nanocomposites magnetoeléctricos (ME) ha sido demostrado. Se ha medido el coeficiente magnetoeléctrico en un film de nanocomposite, preparado mediante un método de polimerización in-situ, usando nanopartículas esféricas de ferrita de cobalto como inclusión y una copoliimida amorfa, como matriz. Se han preparado diferentes fibras de poliimida mediante electrospinning (electrohilado), han sido caracterizadas y testadas como separadores para baterías de ion Litio

    Ferroelectric : CNTs structures fabrication for advanced functional nano devices

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    Doutoramento em Ciência e Engenharia de MateriaisThis work is about the combination of functional ferroelectric oxides with Multiwall Carbon Nanotubes for microelectronic applications, as for example potential 3 Dimensional (3D) Non Volatile Ferroelectric Random Access Memories (NVFeRAM). Miniaturized electronics are ubiquitous now. The drive to downsize electronics has been spurred by needs of more performance into smaller packages at lower costs. But the trend of electronics miniaturization challenges board assembly materials, processes, and reliability. Semiconductor device and integrated circuit technology, coupled with its associated electronic packaging, forms the backbone of high-performance miniaturized electronic systems. However, as size decreases and functionalization increases in the modern electronics further size reduction is getting difficult; below a size limit the signal reliability and device performance deteriorate. Hence miniaturization of siliconbased electronics has limitations. On this background the Road Map for Semiconductor Industry (ITRS) suggests since 2011 alternative technologies, designated as More than Moore; being one of them based on carbon (carbon nanotubes (CNTs) and graphene) [1]. CNTs with their unique performance and three dimensionality at the nano-scale have been regarded as promising elements for miniaturized electronics [2]. CNTs are tubular in geometry and possess a unique set of properties, including ballistic electron transportation and a huge current caring capacity, which make them of great interest for future microelectronics [2]. Indeed CNTs might have a key role in the miniaturization of Non Volatile Ferroelectric Random Access Memories (NVFeRAM). Moving from a traditional two dimensional (2D) design (as is the case of thin films) to a 3D structure (based on a tridimensional arrangement of unidimensional structures) will result in the high reliability and sensing of the signals due to the large contribution from the bottom electrode. One way to achieve this 3D design is by using CNTs. Ferroelectrics (FE) are spontaneously polarized and can have high dielectric constants and interesting pyroelectric, piezoelectric, and electrooptic properties, being a key application of FE electronic memories. However, combining CNTs with FE functional oxides is challenging. It starts with materials compatibility, since crystallization temperature of FE and oxidation temperature of CNTs may overlap. In this case low temperature processing of FE is fundamental. Within this context in this work a systematic study on the fabrication of CNTs - FE structures using low cost low temperature methods was carried out. The FE under study are comprised of lead zirconate titanate (Pb1-xZrxTiO3, PZT), barium titanate (BaTiO3, BT) and bismuth ferrite (BiFeO3, BFO). The various aspects related to the fabrication, such as effect on thermal stability of MWCNTs, FE phase formation in presence of MWCNTs and interfaces between the CNTs/FE are addressed in this work. The ferroelectric response locally measured by Piezoresponse Force Microscopy (PFM) clearly evidenced that even at low processing temperatures FE on CNTs retain its ferroelectric nature. The work started by verifying the thermal decomposition behavior under different conditions of the multiwall CNTs (MWCNTs) used in this work. It was verified that purified MWCNTs are stable up to 420 ºC in air, as no weight loss occurs under non isothermal conditions, but morphology changes were observed for isothermal conditions at 400 ºC by Raman spectroscopy and Transmission Electron Microscopy (TEM). In oxygen-rich atmosphere MWCNTs started to oxidized at 200 ºC. However in argon-rich one and under a high heating rate MWCNTs remain stable up to 1300 ºC with a minimum sublimation. The activation energy for the decomposition of MWCNTs in air was calculated to lie between 80 and 108 kJ/mol. These results are relevant for the fabrication of MWCNTs – FE structures. Indeed we demonstrate that PZT can be deposited by sol gel at low temperatures on MWCNTs. And particularly interesting we prove that MWCNTs decrease the temperature and time for formation of PZT by ~100 ºC commensurate with a decrease in activation energy from 68±15 kJ/mol to 27±2 kJ/mol. As a consequence, monophasic PZT was obtained at 575 ºC for MWCNTs - PZT whereas for pure PZT traces of pyrochlore were still present at 650 ºC, where PZT phase formed due to homogeneous nucleation. The piezoelectric nature of MWCNTs - PZT synthesised at 500 ºC for 1 h was proved by PFM. In the continuation of this work we developed a low cost methodology of coating MWCNTs using a hybrid sol-gel / hydrothermal method. In this case the FE used as a proof of concept was BT. BT is a well-known lead free perovskite used in many microelectronic applications. However, synthesis by solid state reaction is typically performed around 1100 to 1300 ºC what jeopardizes the combination with MWCNTs. We also illustrate the ineffectiveness of conventional hydrothermal synthesis in this process due the formation of carbonates, namely BaCO3. The grown MWCNTs - BT structures are ferroelectric and exhibit an electromechanical response (15 pm/V). These results have broad implications since this strategy can also be extended to other compounds of materials with high crystallization temperatures. In addition the coverage of MWCNTs with FE can be optimized, in this case with non covalent functionalization of the tubes, namely with sodium dodecyl sulfate (SDS). MWCNTs were used as templates to grow, in this case single phase multiferroic BFO nanorods. This work shows that the use of nitric solvent results in severe damages of the MWCNTs layers that results in the early oxidation of the tubes during the annealing treatment. It was also observed that the use of nitric solvent results in the partial filling of MWCNTs with BFO due to the low surface tension (<119 mN/m) of the nitric solution. The opening of the caps and filling of the tubes occurs simultaneously during the refluxing step. Furthermore we verified that MWCNTs have a critical role in the fabrication of monophasic BFO; i.e. the oxidation of CNTs during the annealing process causes an oxygen deficient atmosphere that restrains the formation of Bi2O3 and monophasic BFO can be obtained. The morphology of the obtained BFO nano structures indicates that MWCNTs act as template to grow 1D structure of BFO. Magnetic measurements on these BFO nanostructures revealed a week ferromagnetic hysteresis loop with a coercive field of 956 Oe at 5 K. We also exploited the possible use of vertically-aligned multiwall carbon nanotubes (VA-MWCNTs) as bottom electrodes for microelectronics, for example for memory applications. As a proof of concept BiFeO3 (BFO) films were in-situ deposited on the surface of VA-MWCNTs by RF (Radio Frequency) magnetron sputtering. For in situ deposition temperature of 400 ºC and deposition time up to 2 h, BFO films cover the VA-MWCNTs and no damage occurs either in the film or MWCNTs. In spite of the macroscopic lossy polarization behaviour, the ferroelectric nature, domain structure and switching of these conformal BFO films was verified by PFM. A week ferromagnetic ordering loop was proved for BFO films on VA-MWCNTs having a coercive field of 700 Oe. Our systematic work is a significant step forward in the development of 3D memory cells; it clearly demonstrates that CNTs can be combined with FE oxides and can be used, for example, as the next 3D generation of FERAMs, not excluding however other different applications in microelectronics.Este trabalho é sobre a combinação de óxidos ferroelétricos funcionais com nanotubos de carbono (CNTs) para aplicações na microeletrónica, como por exemplo em potenciais memórias ferroelétricas não voláteis (Non Volatile Ferroelectric Random Access Memories (NV-FeRAM)) de estrutura tridimensional (3D). A eletrónica miniaturizada é nos dias de hoje omnipresente. A necessidade de reduzir o tamanho dos componentes eletrónicos tem sido estimulada por necessidades de maior desempenho em dispositivos de menores dimensões e a custos cada vez mais baixos. Mas esta tendência de miniaturização da eletrónica desafia consideravelmente os processos de fabrico, os materiais a serem utilizados nas montagens das placas e a fiabilidade, entre outros aspetos. Dispositivos semicondutores e tecnologia de circuitos integrados, juntamente com a embalagem eletrónica associada, constituem a espinha dorsal dos sistemas eletrónicos miniaturizados de alto desempenho. No entanto, à medida que o tamanho diminui e a funcionalização aumenta, a redução das dimensões destes dipositivos é cada vez mais difícil; é bem conhecido que abaixo de um tamanho limite o desempenho do dispositivo deteriora-se. Assim, a miniaturização da eletrónica à base de silício tem limitações. É precisamente neste contexto que desde 2011 o Road Map for Semiconductor Industry (ITRS) sugere tecnologias alternativas às atualmente em uso, designadas por Mais de Moore (More than Moore); sendo uma delas com base em carbono (CNTs e grafeno) [1]. Os CNTs com o seu desempenho único e tridimensionalidade à escala nanométrica, foram considerados como elementos muito promissores para a eletrónica miniaturizada [2]. Nanotubos de carbono possuem uma geometria tubular e um conjunto único de propriedades, incluindo o transporte balístico de eletrões e uma capacidade enorme de transportar a corrente elétrica, o que os tornou de grande interesse para o futuro da microeletrónica [2]. Na verdade, os CNTs podem ter um papel fundamental na miniaturização das memórias ferroelétricas não voláteis (NV-FeRAM). A mudança de uma construção tradicional bidimensional (2D) (ou seja, a duas dimensões, como são os filmes finos) para uma construção tridimensional 3D, com base num arranjo tridimensional de estruturas unidimensionais (1D), como são as estruturas nanotubulares, resultará num desempenho melhorado com deteção de sinal elétrico optimizada, devido à grande contribuição do elétrodo inferior. Uma maneira de conseguir esta configuração 3D é usando nanotubos de carbono. Os materiais ferroelétricos (FE) são polarizados espontaneamente e possuem constantes dielétricas altas e as suas propriedades piroelétricas, piezoelétricas e eletroópticas tornam-nos materiais funcionais importantes na eletrónica, sendo uma das suas aplicações chave em memórias eletrónicas. No entanto, combinar os nanotubos de carbono com óxidos FE funcionais é um desafio. Começa logo com a compatibilidade entre os materiais e o seu processamento, já que as temperaturas de cristalização do FE e as temperaturas de oxidação dos CNTs se sobrepõem. Neste caso, o processamento a baixa temperatura dos óxidos FE é absolutamente fundamental. Dentro deste contexto, neste trabalho foi realizado um estudo sistemático sobre a fabricação e caracterização estruturas combinadas de CNTs – FE, usando métodos de baixa temperatura e de baixo custo. Os FE em estudo foram compostos de titanato zirconato de chumbo (Pb1-xZrxTiO3, PZT), titanato de bário (BaTiO3, BT) e ferrite de bismuto (BiFeO3, BFO). Os diversos aspetos relacionados com a síntese e fabricação, como efeito sobre a estabilidade térmica dos nanotubos de carbono multiparede (multiwall CNTs, MWCNTs), formação da fase FE na presença de MWCNTs e interfaces entre CNTs / FE foram abordados neste trabalho. A resposta ferroelétrica medida localmente através de microscopia de ponta de prova piezoelétrica (Piezoresponse Force Microscopy (PFM)), evidenciou claramente que, mesmo para baixas temperaturas de processamento óxidos FE sobre CNTs mantém a sua natureza ferroelétrica. O trabalho começou pela identificação do comportamento de decomposição térmica em diferentes condições dos nanotubos utilizados neste trabalho. Verificou-se que os MWCNTs purificados são estáveis até 420 ºC no ar, já que não ocorre perda de peso sob condições não isotérmicas, mas foram observadas, por espectroscopia Raman e microscopia eletrónica de transmissão (TEM), alterações na morfologia dos tubos para condições isotérmicas a 400 ºC. Em atmosfera rica em oxigénio os MWCNTs começam a oxidar-se a 200 ºC. No entanto, em atmosfera rica em árgon e sob uma taxa de aquecimento elevada os MWCNTs permanecem estáveis até 1300 ºC com uma sublimação mínima. A energia de ativação para a decomposição destes MWCNTs em ar foi calculada situar-se entre 80 e 108 kJ / mol. Estes resultados são relevantes para a fabricação de estruturas MWCNTs - FE. De facto, demonstramos que o PZT pode ser depositado por sol-gel a baixas temperaturas sobre MWCNTs. E, particularmente interessante foi provar que a presença de MWCNTs diminui a temperatura e tempo para a formação de PZT, em cerca de ~ 100 ºC comensuráveis com uma diminuição na energia de ativação de 68 ± 15 kJ / mol a 27 ± 2 kJ / mol. Como consequência, foi obtido PZT monofásico a 575 ºC para as estruturas MWCNTs – PZT, enquanto que para PZT (na ausência de MWCNTs) a presença da fase de pirocloro era ainda notória a 650 ºC e onde a fase de PZT foi formada por nucleação homogénea. A natureza piezoelétrica das estruturas de MWCNTs - PZT sintetizadas a 500 ºC por 1 h foi provada por PFM. Na continuação deste trabalho foi desenvolvida uma metodologia de baixo custo para revestimento de MWCNTs usando uma combinação entre o processamento sol – gel e o processamento hidrotermal. Neste caso o FE usado como prova de conceito foi o BT. BT é uma perovesquita sem chumbo bem conhecida e utilizada em muitas aplicações microeletrónicas. No entanto, a síntese por reação no estado sólido é normalmente realizada entre 1100 - 1300 ºC o que coloca seriamente em risco a combinação com MWCNTs. Neste âmbito, também se ilustrou claramente a ineficácia da síntese hidrotérmica convencional, devido à formação de carbonatos, nomeadamente BaCO3. As estruturas MWCNTs - BT aqui preparadas são ferroelétricas e exibem resposta electromecânica (15 pm / V). Considera-se que estes resultados têm impacto elevado, uma vez que esta estratégia também pode ser estendida a outros compostos de materiais com elevadas temperaturas de cristalização. Além disso, foi também verificado no decurso deste trabalho que a cobertura de MWCNTs com FE pode ser optimizada, neste caso com funcionalização não covalente dos tubos, ou seja, por exemplo com sodium dodecyl sulfate (SDS)

    Materials Science and Technology

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    Materials are important to mankind because of the benefits that can be derived from the manipulation of their properties, for example electrical conductivity, dielectric constant, magnetization, optical transmittance, strength and toughness. Materials science is a broad field and can be considered to be an interdisciplinary area. Included within it are the studies of the structure and properties of any material, the creation of new types of materials, and the manipulation of a material's properties to suit the needs of a specific application. The contributors of the chapters in this book have various areas of expertise. therefore this book is interdisciplinary and is written for readers with backgrounds in physical science. The book consists of fourteen chapters that have been divided into four sections. Section one includes five chapters on advanced materials and processing. Section two includes two chapters on bio-materials which deal with the preparation and modification of new types of bio-materials. Section three consists of three chapters on nanomaterials, specifically the study of carbon nanotubes, nano-machining, and nanoparticles. Section four includes four chapters on optical materials

    Multi-Acquisition and Multi-Dimensional Earth's Field Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

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    In this thesis we investigate the ways in which the sensitivity, resolution and overall performance of an Earth's field NMR system can be improved without significantly compromising its simplicity, portability or affordability. We investigate the limits of the information obtainable using this device and present a range of methods for calculating and analyzing NMR spectroscopy experiments detected in the Earth's magnetic field. We demonstrate significant improvements in the performance of a commercial Earth's field NMR device, the Terranova-MRI, through several apparatus developments. First-order shimming is added to the system in order to counter any local inhomogeneity of the Earth's field. The spectral resolution of the instrument is further improved through the introduction of a field locking system to counter the natural temporal drift in the magnitude of the Earth's magnetic field. External noise interference is reduced through the use of Faraday screening, effectively increasing the signal-to-noise ratio (SNR) performance of the device. We explore three signal enhancement methodologies for optimizing the SNR performance of the system. Prepolarization, with an electromagnet as well as a permanent magnet array, is considered and compared to dynamic nuclear polarization (DNP) and hyperpolarization via optical pumping. We present a detailed theoretical discussion of DNP in low-fields and demonstrate the application of this technique for signal enhancement in EFNMR. An apparatus for performing DNP in the Earth's field is presented and optimized. A density matrix approach to simulating one- and two-dimensional Earth's field NMR experiments is presented. These numerical simulations, along with a perturbation theory approach to calculating one-dimensional EFNMR spectra of tightly coupled heteronuclear systems, are explored and compared to experimental spectra of the tetrahydroborate and ammonium ions. These systems are of particular interest for NMR detected in the Earth's field because they contain strongly coupled nuclei of differing spin, a situation previously unexplored in the literature. Multi-dimensional Earth's field NMR spectroscopy methods, in particular the correlation spectroscopy (COSY) experiment, are implemented and optimized through the use of shimming, field stabilization and noise screening. The 2D COSY spectrum of monofluorobenzene is analyzed and compared to calculated spectra in order to determine the indirect spin-spin coupling constants of this molecule in the Earth's magnetic field. A 2D COSY spectrum of 1,4-difluorobenzene is also presented and compared to simulation. The SNR performance of COSY in the Earth's field is greatly improved through the use of DNP for signal enhancement. A high-quality, 2D COSY EFNMR spectrum with DNP acquired from 2,2,2- trifluoroethanol is presented and compared to simulation. The particular features of this spectrum, which result from the use of DNP for signal enhancement, are discussed with reference to a density matrix simulation and to a one-dimensional spectrum calculated using perturbation theory. The strong indirect spin-spin coupling regime in fields weaker than the Earth's magnetic field is explored through exact calculations and density matrix simulations of a 13C-enriched methyl group. A novel multi-dimensional EFNMR method for observing such spectra is discussed. This experiment allows for the resolution of strongly coupled NMR spectra both in the Earth's magnetic field, in the directly detected domain, and in weaker fields, in the indirectly detected domain. In the final section of this thesis, residual dipolar coupling is observed by EFNMR for the first time in a system of poly-[gamma]-benzyl-L-glutamate (PBLG) in dichloromethane. The form of the EFNMR spectrum of this liquid crystalline system is discussed and compared to equivalent high-field (9.4T) spectra
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