Microwave-assisted processing of solid materials for sustainable energy related electronic and optoelectronic applications

Materials processing using microwave radiation is emerging as a novel and innovative technology that has proven useful in a number of applications. It has various advantages over conventional processing, such as; time and energy saving, very rapid heating rates, considerably reduced processing time and temperature, fine microstructures and improved mechanical properties, better product performance, etc. Microwave irradiation has shown great potential for the processing of different semiconductor materials and inorganic solids for various advanced electronic and optoelectronic devices such as solar cells, batteries, supercapacitors, fuel cells etc. This work intends to investigate the effect of microwave radiation on various semiconductor materials and inorganic solids, in particular the changes in their chemical, physical and photoelectrochemical properties after microwave treatment. Microwaves have been used as an alternative method to conventional thermal annealing for post annealing of widely used semiconductors (TiO2, ZnO nanorods), battery materials (lithium aluminium titanium phosphates), and synthesis of materials (ZnO, Ti0.97Pd0.03O1.97). It is found that, in contrast to conventional thermal annealing, microwave treatment of such materials improves the crystallinity without any structural changes by preserving their nanostructure due to the difference in the heating mechanism (volumetric heating). The results demonstrate that microwave processing is a promising alternative method to the traditional conventional sintering for materials processing for advanced electronic and optoelectronic devices. Also the microwave annealing method offers energy savings of up to ~75%, which would make it highly desirable for industrial scale up

Nanocomposite Films for Gas Sensing

Nanocomposite films are thin films formed by mixing two or more dissimilar materials having nano-dimensional phase(s) in order to control and develop new and improved structures and properties. The properties of nanocomposite films depend not only on the individual components used but also on the morphology and the interfacial characteristics. Nanocomposite films that combine materials with synergetic or complementary behaviours possess unique physical, chemical, optical, mechanical, magnetic and electrical properties unavailable from that of the component materials and have attracted much attention for a wide range of device applications such as gas sensors.NRC publication: Ye

Poly(vinylidene fluoride)/zinc oxide smart composite material

This work aimed at fabrication and electromechanical characterization of a smart material system composed of electroactive polymer and ceramic materials. The idea of composite material system is on account of complementary characteristics of the polymer and ceramic for flexibility and piezoelectric activity. Our preliminary work included Polyvinylidene Fluoride (PVDF) as the flexible piezoelectric polymer, and Zinc Oxide (ZnO) as the piezoelectric ceramic brittle, but capable to respond strains without poling. Two alternative processes were investigated. The first process makes use of ZnO fibrous formation achieved by sintering PVA/zinc acetate precursor fibers via electrospinning. Highly brittle fibrous ZnO mat was dipped into a PVDF polymer solution and then pressed to form pellets. The second process employed commercial ZnO nanopowder material. The powder was mixed into a PVDF/acetone polymer solution, and the resultant paste was pressed to form pellets. The free standing composite pellets with electrodes on the top and bottom surfaces were then subjected to sinusoidal electric excitation and response was recorded using a fotonic sensor. An earlier work on electrospun PVDF fiber mats was also summarized here and the electromechanical characterization is reported

Synthesis Characterization of Nanostructured ZnCo2O4 with High Sensitivity to CO Gas

In this work, nanostructured ZnCo2O4 was synthesized via a microwave-assisted colloidal method, and its application as gas sensor for the detection of CO was studied. Typical diffraction peaks corresponding to the cubic ZnCo2O4 spinel structure were identified at calcination temperature of 500°C by X-ray powder diffraction. A high degree of porosity in the surface of the nanostructured powder of ZnCo2O4 was observed by scanning electron microscopy and transmission electron microscopy, faceted nanoparticles with a pockmarked structure were clearly identified. The estimated average particle size was approximately 75 nm. The formation of ZnCo2O4 material was also confirmed by Raman characterization. Pellets fabricated with nanostructured powder of ZnCo2O4 were tested as sensors using CO gas at different concentrations and temperatures. A high sensitivity value of 305–300 ppm of CO was measured at 300°C, indicating that nanostructured ZnCo2O4 had a high performance in the detection of CO

ZnO nanopowder derived from brass ash: Sintering behavior and mechanical properties

The present investigation studied the recycling of zinc from brass ash which is a secondary product produced during the brass smelting process. A retiring cycle was devised to produce high-purity ZnO nanopowders. Recovery of > 90 wt% of the total zinc available was achieved after the calcination of brass ash at 700 °C and a multistage hydrometallurgical treatment at room temperature. ZnO powder produced by the developed method was analyzed by X-ray diffraction, transmission electron scanning microscopy, ICP-AES and BET analysis. The ZnO nanopowder obtained from the brass ash was well dispersed and the size of the individual particles was in the range of 30–50 nm. The purity of the powder was 99.83 wt%, and the surface area was about 30.5 m2/g. A relative density level of about 98.1% was reached with ZnO pellets sintered at 1300 °C

Synthesis, Characterization and Sensing Properties of AZO and IZO Nanomaterials

Al-doped ZnO (AZO) and In-doped ZnO (IZO) nanopowders were prepared by a sol-gel route and subsequent drying in ethanol under supercritical conditions. The morphological and microstructural properties were investigated by transmission electron microscopy (TEM) analysis and X-ray powder diffraction (XRD). The characterization study showed that the AZO and IZO nanoparticles were crystalline and exhibited the hexagonal wurtzite structure. Chemoresistive devices consisting of a thick layer of synthesized nanoparticles on interdigitated alumina substrates have been fabricated and their electrical and sensing characteristics were investigated. The sensor performances of the AZO and IZO nanoparticles for carbon monoxide (CO) were reported. The results indicated that both doped-sensors exhibited higher response and quick response/recovery dynamics compared to a ZnO-based sensor. These interesting sensing properties were discussed on the basis of the characterization data reported

A Microfluidic Reactor for Time and Spatially Resolved in situ Spectroscopic Studies on Nanoparticles During Synthesis

Der weitaus überwiegende Teil der Produktionsprozesse in der chemischen Industrie läuft in Gegenwart von Katalysatoren ab, die Geschwindigkeiten und Selektivität der beteiligten Reaktionen erheblich beeinflussen. Neben ihrer großen Bedeutung für Produktionseffi-zienz und ökonomischen Profit spielen Katalysatoren eine entscheidende Rolle beim Übergang zu einer umweltfreundlicheren, nachhaltigeren Wirtschaft, indem sie z. B. die Freisetzung gesundheits- und umweltschädlicher Nebenprodukte vermindern, die Umwandlung giftiger Substanzen in weniger gefährliche Verbindungen vorantreiben (z.B. in der Abgaskatalyse) oder die Speicherung elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen in Form von chemischer Energie ermöglichen. Nanopartikel und deren Präparation spielen in vielen heterogen-katalysierten Prozessen eine Schlüsselrolle. Ein großer Anteil der Atome in diesen Systemen befindet sich an Grenzflächen oder auf Oberflächen, entsprechend hoch ist das Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Aufgrund der großen Oberflächen und ausgeprägten Grenzflächen (z.B. Nanopartikel/Support) befinden sich diese Strukturen nicht im Gleichgewichtszustand und gelten als thermodynamisch instabil. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich signifikant von denen der Bulkmaterialien. Nanopartikel zeigen einzigartige chemische, physikalische, magnetische und elektronische Eigenschaften, die im Bereich der Materialforschung neue Perspektiven eröffnen und zu bemerkenswerten Fortschritten beim Design von Funktionsmaterialien für diverse Anwendungen beitragen, neben Katalyse z. B. auch in der chemischen Sensorik. In diesem Zusammenhang ist ein tiefgreifendes Verständnis der für Keimbildung und Wachstum monodisperser Nanopartikel maßgeblichen Kinetik und Reaktionsmechanismen von entscheidender Bedeutung für eine Optimierung von Morphologie und Struktur und maßgeschneiderte Eigenschaften. Moderne Charakteri-sierungsmethoden, insbesondere spektroskopische Techniken, leisten dazu entscheidende Beiträge. Für die im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten experimentellen Studien wurde eine Mikrofluidik-Apparatur aufgebaut, die speziell auf kolloidale Synthese nanostrukturierter Materialien bei pulsationsfreier Dosierung von Reaktanden und hohen Durchflussraten in kontinuierlicher turbulenter Strömung (Reynolds-Zahl von etwa 2400) ausgelegt ist. Drei in den Mikrofluidik-Chip integrierte Zyklonmischer ermöglichen homogenes Mischen der Reaktanden in kurzer Zeit (< 2 ms bei einem Durchfluss von 2.6 L h-1) für schnelle Reduktionsprozesse, gefolgt von einem Mäanderkanal. Der Mikrofluidik-Aufbau ermög-licht darüber hinaus eine Röntgen-basierte Charakterisierung der Partikel während der Synthese und damit unmittelbaren Zugang zu Informationen bzgl. der maßgeblichen Reaktionsmechanismen und Kinetik. Im Mikrofluidikreaktor herrscht eine ideale Strömung vor, um die seit Beginn der Reaktion verstrichene Zeit mit der Position des Röntgenstrahls entlang des Mikrokanals mit hoher zeitlicher Auflösung direkt korrelieren zu können. Die Zyklonmischer im Mikrofluidik-Chip reduzieren hierbei die Totzeit, d.h. die für homogenes Mischen der Reaktanden erforderliche Zeit, auf 2 ms. Das Zusammenwirken von Mikroverfahrenstechnik und In-Situ-XAS-Messzellendesign ermöglicht so eine Untersuchung der Reaktionskinetik mit bislang nicht verfügbarer zeitlicher Auflösung. Als Fallstudie im Rahmen dieser Arbeit wurden frühe Reaktionsstadien (2 -20 ms) der Bildung von Gold-Nanopartikeln aus Au(III) in Gegenwart eines starken Reduktionsmittels (NaBH4) und einer oberflächenaktiven Komponente (PVP als Surfactant) in situ mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie mit Synchrotronlicht bei hohem Reaktandendurchfluss im Bereich turbulenter Mischbedingungen verfolgt. Gold-, Palladium- und homogene Gold-Palladium-Legierungs-Nanopartikel mit mittleren Durchmessern von ca. 1 nm und schmalen Größenverteilungen wurden in diesem Mikroreaktor mit NaBH4 als Reduktionsmittel und Polyvinylpyrrolidone (PVP) als oberflächenaktiver Komponente (Surfactant) synthetisiert. Die Struktur dieser Nanopartikel, sowohl in Kolloidlösung als auch geträgert auf Titanoxid, wurde mittels verschiedener volumen- und oberflächenempfindlicher Charakterisierungstechniken wie UV/Vis-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie, Energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), Röntgendiffraktion (XRD), Röntgen-photoelektronenspektroskopie (XPS) und Ultrahochvakuum-Fourier-Transform-Infrarot-spektrometrie (UHV-FTIR) analysiert. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen weisen auf einen bemerkenswerten Einfluss des molaren Au:Pd-Verhältnisses auf die kristallo-graphische und elektronische Struktur der Gold-Palladium-Legierungs-Nanopartikel hin. Die Größe der Partikel nahm während der Aufbringung auf das Trägermaterial zu. Gleichwohl zeigten die hergestellten Nanomaterialien bei Aktivitätsmessungen ein hohes Potential als Katalysatoren für die CO-Oxidation und im Hinblick auf Anwendungen in der chemischen Sensorik. Der Mikrofluidikreaktor konnte auch erfolgreich für eine Cofällungsreaktion genutzt werden. Ein Vergleich von mikrofluidisch und in einem diskontinuierlichen Rührreaktor (Batch-Reaktor) synthetisierten CuO/ZnO/Al2O3–Katalysatoren zeigte, dass die im Mikrofluidikreaktor hergestellten Materialien kleinere mittlere Partikeldurchmesser, entsprechend größere spezifische Oberflächen und eine gleichmäßigere Verteilung von Cu und Zn in den Partikeln aufwiesen. Zukünftig kann der Mikrofluidikreaktor auch zur Untersuchung von Präzipitationsreaktionen mittels röntgenbasierter Methoden wie XAS, Röntgenkleinwinkelstreuung und Röntgendiffraktion genutzt werden

POLYVINYLIDENE FLUORIDE AND ZINC OXIDE SMART COMPOSITE MATERIAL

This work aimed at fabrication and electromechanical characterization of a smart material system composed of electroactive polymer and ceramic materials. The idea of composite material system is on account of complementary characteristics of the polymer and ceramic for flexibility and piezoelectric activity. Our preliminary work included Polyvinylidene Fluoride (PVDF) as the flexible piezoelectric polymer, and Zinc Oxide (ZnO) as the piezoelectric ceramic brittle, but capable to respond strains without poling. Two alternative processes were investigated. The first process makes use of ZnO fibrous formation achieved by sintering PVA/zinc acetate precursor fibers via electrospinning. Highly brittle fibrous ZnO mat was dipped into a PVDF polymer solution and then pressed to form pellets. The second process employed commercial ZnO nanopowder material. The powder was mixed into a PVDF/acetone polymer solution, and the resultant paste was pressed to form pellets. The free standing composite pellets with electrodes on the top and bottom surfaces were then subjected to sinusoidal electric excitation and response was recorded using a fotonic sensor. An earlier work on electrospun PVDF fiber mats was also summarized here and the electromechanical characterization is reported