Novel conducting polymer current limiting devices for low cost surge protection applications

We report on the development of novel intrinsic conducting polymer two terminal surge protection devices. These resettable current limiting devices consist of polyaniline nanofibres doped with methane sulphonic acid electrochemically deposited between two 55 μm spaced gold electrodes. At normal applied voltages, the low resistance devices act as passive circuit elements, not affecting the current flow. However during a current surge the devices switch from ohmic to non-ohmic behaviour, limiting current through the device. After the current surge has passed, the devices reset back to their original state. Our studies show that a partial de-doping/re-doping process caused by the rapid diffusion of moisture out of or into the polymer film during joule heating/cooling is the underlying mechanism responsible

Super hydrophobic SAM modified electrodes for enhanced current limiting properties in intrinsic conducting polymer surge protection devices

Surface interface engineering using superhydrophobic gold electrodes made with 1-dodecanethiol self-assembled monolayer (SAM) has been used to enhance the current limiting properties of novel surge protection devices based on the intrinsic conducting polymer, polyaniline doped with methanesulfonic acid. The resulting devices show significantly enhanced current limiting characteristics, including current saturation, foldback, and negative differential effects. We show how SAM modification changes the morphology of the polymer film directly adjacent to the electrodes, leading to the formation of an interfacial compact thin film that lowers the contact resistance at the Au−polymer interface. We attribute the enhanced current limiting properties of the devices to a combination of lower contact resistance and increased Joule heating within this interface region which during a current surge produces a current blocking resistive barrier due to a thermally induced dedoping effect caused by the rapid diffusion of moisture away from this region. The effect is exacerbated at higher applied voltages as the higher temperature leads to stronger depletion of charge carriers in this region, resulting in a negative differential resistance effec

Alcohol use and abuse in training conscripts of the Hellenic navy

OBJECTIVES: Alcohol abuse and addiction are big current problems of the developed world having multivariate causality and multiple effects. Alcohol abuse in young people is a matter of central importance due to its wide range long lasting effects, especially so in Greece where the problem has only recently started growing. The Hellenic Navy is interested in the complications of alcohol abuse in training conscripts. Because young conscripts will be placed in demanding positions, but also because in Greece the military service is obligatory and represents an important period for the socialization of young men. METHODS: In the present study, levels of alcohol use and abuse were measured in a sample of 650 male training conscripts of the Hellenic Navy. The tools used are: (a) two questionnaires measuring frequency and quantity of alcohol consumption and psychosocial variables, (b) the CAGE test, which is a questionnaire measuring hidden alcoholism. RESULTS: 38,1% conscripts were characterized problematic drinkers according the adolescents criteria. Additional psychological complications were related to alcohol use. Using the stricter criterion for adults (plus psychological complications) 8.9% were found to be problematic drinkers. The use of CAGE questionnaire which is measuring hidden alcoholism, identified 16% of the total sample as hidden alcoholics. DISCUSSION: The findings regarding unregular levels of alcohol use and abuse are presented as well as their relation to psychosocial complications and to demographic characteristics. The results are discussed in the light of Creek and international bibliography

Development of chemical and biological sensors with application to pesticide detection

This doctoral dissertation investigates the detection and quantification capabilities of chemical and biological sensors in the detection of three commonly used pesticides. The sensing platform developed in this work consists of a pair of interdigitated electrodes in combination with a sputtered platinum nanoparticle thin film. Based on this flexible platform and by taking advantage of variable resistance of the film due to percolation effects we present the implementation of two different classes of sensors. The first is chemical sensors realised by additionally depositing vapour-absorbent polymers while the second is biological sensors by bonding onto the surface aptamers specifically designed to detect the desired substance.Their proof of operation paves the way for the further detection of substances the presence of which in the environment is considered to be harmful to both the flora and fauna as well as the human health and wellbeing. Up until now the analytical methods employed for the detection of pesticides and other polluting agents even though precise they are cost and time inefficient and they require the employment of specialised personnel and laboratory facilities. Over the last few decades there is a continuing effort by several research groups to develop equally precise but low-cost techniques that allow the on-site detection of pesticides during both the production and distribution of food and drinks. Two of the most commonly applied techniques found in the literature and are also the focus of this work are the chemical and biological sensors. In the first chapter we present the problem at hand and identify the need for the development of new pesticide detection techniques in order to ensure a safe working environment and additionally avoid the consumption of said substances by the general populace through food and water. Moreover we discuss nanomaterials, specifically their structural properties and conduction mechanisms, which in conjunction with established microelectronic processing and the development of biotechnology can be proven as a viable solution towards the stated goal. Purpose of the second chapter is the extensive review of the different categories of chemical sensors focusing mostly on chemiresistors as the sensors developed through the course of this work for the detection of Chlorpyrifos fall into this category. We present the benefits and drawbacks in comparison to other detection techniques as well as the efforts made to address them. Continuing on the third chapter we focus on the materials used and the fabrication steps taken towards the realisation of the chemical sensors. The we proceed to present the experiments done and the results that arose from them. Processing of the data reveals that we do not only achieved to sufficiently detect Chlorpyrifos but also quantify its concentration down to a record 0.7 ppb. The same array of sensors is demonstrated to by able to detected various different analytes (water, ethanol and methanol) in different concentrations which is of particular importance as they are routinely identified in the same environment as pesticides. In chapter four we delve into the theoretical background required in order to properly understand the operational principle of aptamer-based biosensors. In order to do so we focus on the action of biological materials, and more specifically aptamers, followed by a review on the biological and physical phenomena employed by electrochemical impedance spectroscopy which forms the platform for the detection of two common pesticides, Acetamiprid and Atrazine.Furthermore, on chapter five, we refer to the materials used for the fabrication of biosensors as well as the efforts done to optimise the sensing elements. We demonstrate the detection of Acetamiprid and Atrazine with lowest detection limit at 1×10-12 M and 1×10-11 M respectively. The chapter is concluded with the aptamer selectivity study by comparing the sensor response in the presence of four different petsticides.The dissertation is concluded in the sixth chapter were we summarise the results of this work and discuss future prospects.Η παρούσα διδακτορική διατριβή ερευνά την δυνατότητα ανίχνευσης και ποσοτικοποίησης τριών ευρέως χρησιμοποιούμενων φυτοφαρμάκων με την χρήση χημικών και βιολογικών αισθητήρων. Οι διατάξεις που αναπτύχθηκαν σε αυτή την εργασία αποτελούνται από ένα ζεύγος ενδοδιαπλεκόμενων ηλεκτροδίων σε συνδυασμό με ένα δίκτυο νανοσωματιδίων πλατίνας η σύνθεση των οποίων γίνεται μέσω ιοντοβολής.  Βασιζόμενοι σε αυτή την ευέλικτη πλατφόρμα και εκμεταλλευόμενοι την ικανότητα μεταβολής της αντίστασης του φιλμ σε σχέση με τους αγώγιμους δρόμους που αναπτύσσονται μπορούμε ανάλογα με την επιθυμητή εφαρμογή να κατασκευάσουμε δύο κλάσεων αισθητήρες. Η μεν πρώτη αφορά χημικούς αισθητήρες και πραγματοποιείται με επιπλέον εναπόθεση πολυμερών κατάλληλη για προσρόφηση ατμών ενώ η δεύτερη βιολογικούς αισθητήρες με πρόσδεση στην επιφάνεια απταμερών σχεδιασμένων κατάλληλα για να εντοπίζουν την υπό ανίχνευση ουσία. Η απόδειξη της αρχής λειτουργίας τους ανοίγει τον δρόμο για την ανίχνευση και άλλων ουσιών η παρουσία των οποίων στο περιβάλλον θεωρείται επιβλαβής τόσο για την χλωρίδα και την πανίδα, όσο και για την ανθρώπινη υγεία. Μέχρι στιγμής οι αναλυτικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των φυτοφαρμάκων και άλλων ρυπαντικών ουσιών αν και παρουσιάζουν υψηλή ευαισθησία και ακρίβεια αποτελούν τεχνικές μεγάλου κόστους, χρονοβόρες και απαιτούν εξειδικευμένο προσωπικό και εργαστηριακές εγκαταστάσεις. Τις τελευταίες δεκαετίες γίνετε μία προσπάθεια από πολλές ερευνητικές ομάδες να κατασκευασθούν εξίσου αξιόπιστες τεχνικές χαμηλού κόστους και κυρίως να επιτρέπουν την ανίχνευση στο πεδίο εφαρμογής των φυτοφαρμάκων στον τομέα της παραγωγής τροφίμων και ποτών αλλά και στο τελικό στάδιο της κατανάλωσης αυτών. Δύο από τις πιο διαδεδομένες τεχνικές από αυτές που συνεχώς προτείνονται στην βιβλιογραφία αποτελούν οι χημικοί και οι βιολογικοί αισθητήρες. Αυτές οι δύο κατηγορίες αποτελούν τα δύο βασικά σκέλη αυτής της εργασίας. Αρχικά (κεφάλαιο 1) γίνετε μία προσπάθεια παρουσίασης του προβλήματος και προβάλλεται η ανάγκη εξεύρεσης μεθόδων και τεχνικών ανίχνευσης των φυτοφαρμάκων προκειμένου να διασφαλισθεί το ασφαλές εργασιακό περιβάλλον και η αποφυγή κατανάλωσης υπολειμμάτων τους μέσω των τροφών και του πόσιμου νερού. Στη συνέχεια γίνετε λόγος για τα νανοϋλικά, τις ιδιότητες και τους μηχανισμούς αγωγιμότητας που παρουσιάζουν, τα οποία σε συνδυασμό με τις καθιερωμένες τεχνικές της μικροηλεκτρονικής και την ανάπτυξη της βιοτεχνολογίας στέλνουν ελπιδοφόρα μηνύματα προς της κατεύθυνση αυτή. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνετε εκτενής αναφορά σε όλες τις κατηγορίες των χημικών αισθητήρων και κυρίως στους χημειοαντιστάτες, αφού σε αυτή την κατηγορία ανήκουν και οι αισθητήρες που κατασκευάστηκαν στη παρούσα εργασία για την ανίχνευση του φυτοφαρμάκου Chlorpyrifos. Αναφέρονται διεξοδικά τα πλεονεκτήματά τους αλλά κυρίως τα σημεία που μειονεκτούν έναντι των υπολοίπων μεθόδων, καθώς επίσης και οι προσπάθειες που γίνονται προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι δυσκολίες αυτές. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν όπως επίσης και όλα τα στάδια κατασκευής των χημικών αισθητήρων βήμα προς βήμα. Ακολουθεί η αναλυτική περιγραφή των πειραματικών διαδικασιών που ακολουθήθηκαν και τα αποτελέσματα όπως αυτά προέκυψαν από την διεξαγωγή των πειραμάτων. Η επεξεργασία αυτών των αποτελεσμάτων, δικαιώνει την προσπάθειά μας αφού με την χρήση χημικών αισθητήρων νανοσωματιδίων επιτεύχθηκε όχι μόνο ο εντοπισμός του φυτοφαρμάκου Chlorpyrifos αλλά και η ποσοτικοποίηση αυτού, με κατώτατο όριο ανίχνευσης τα 0,7 ppb. Στο τελευταίο μέρος του τρίτου κεφαλαίου, χρησιμοποιούνται οι ίδιες συστοιχίες για την ανίχνευση διαφόρων αέριων αναλυτών (H2O, EtOH και MeOH), σε διάφορες συγκεντρώσεις αφού αποτελούν ουσίες οι οποίες εντοπίζονται συχνά στο ίδιο περιβάλλον με τα φυτοφάρμακα Το κεφάλαιο τέσσερα αποτελεί την έναρξη του δεύτερου μέρους της παρούσας εργασίας και περιγράφει λεπτομερώς όλο το θεωρητικό υπόβαθρο που χρειάζεται να γνωρίζει ο αναγνώστης προκειμένου να κατανοήσει σε βάθος την αρχή λειτουργίας των βιολογικών αισθητήρων με απταμερή. Για να επιτευχθεί αυτό, αρχικά γίνετε λόγος για τον τρόπο δράσης των βιολογικών υλικών και κυρίως τον απταμερών και εν συνεχεία ακολουθεί αναφορά στα βιολογικά και φυσικά φαινόμενα που εκμεταλλεύεται η ηλεκτροχημική φασματοσκοπία εμπέδησης, η οποία αποτελεί το βασικό εργαλείο για την ανίχνευση των φυτοφαρμάκων Acetamiprid και Atrazine. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναφέρονται τα υλικά τα οποία χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή των βιολογικών αισθητήρων και οι μελέτες βελτιστοποίησης της δομής των διατάξεων, στη συνέχεια ακολουθεί η ανίχνευση διαφόρων συγκεντρώσεων των φυτοφαρμάκων Acetamiprid και Atrazine με κατώτατο όριο ανίχνευσης 1x10-12 M και 1x10-11M αντίστοιχα. Τέλος ακολούθησε, η μελέτη επιλεκτικότητας των απταμερών συγκρίνοντας τις αποκρίσεις των αισθητήρων παρουσία τεσσάρων διαφορετικών φυτοφαρμάκων. Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο πραγματοποιείται η σύνοψη των συμπερασμάτων και των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την παρούσα έρευνα καθώς επίσης αναφέρονται προτάσεις για μελλοντικές εργασίες

Chemical sensors with nanoparticles

75 σ.Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Μικροσυστήματα και Νανοδιατάξεις”Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την κατασκευή και την διερεύνηση της ικανότητας ανίχνευσης αισθητήρων με μεταλλικά νανοσωματίδια που παρασκευάστηκαν μέσω ενός συστήματος ιοντοβολής υπό κενό. Κύριο ενδιαφέρον της εργασίας αποτελεί η επιλεκτικότητα που παρουσιάζουν οι διατάξεις σε διάφορες αέριες χημικές ουσίες. Η επιλεκτικότητα του κάθε αισθητήρα εξαρτάται από το πολυμερές που έχει εναποτεθεί ως ανιχνευτικό μέσω με τη βοήθεια του εκτυπωτή ψεκασμού μελάνης. Η εργασία αποτελείται κυρίως από τρία τμήματα, το εισαγωγικό, το κατασκευαστικό και το πειραματικό. Στο πρώτο μέρος (κεφάλαιο πρώτο) γίνεται μια προσπάθεια ταξινόμησης και ανάλυσης όλων των κατηγοριών των αισθητήρων, εστιάζοντας περισσότερο στους χημικούς αισθητήρες, αφού αυτοί αποτελούν αντικείμενο μελέτης της παρούσας εργασίας. Επίσης παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά των νανοσωματιδίων και των πολυμερών, δύο κατηγορίες υλικών που χρησιμοποιήθηκαν στις διατάξεις και αποτελούν την βάση της αρχής λειτουργίας τους. Στο κατασκευαστικό τμήμα (κεφάλαιο δεύτερο) γίνεται αναφορά των στόχων της εργασίας, βάση των οποίων σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν οι αισθητήρες. Εν συνεχεία ακολουθεί εκτενής ανάλυση βήμα προς βήμα της κατασκευής των διατάξεων, των διεργασιών που πραγματοποιήθηκαν και τα κριτήρια επιλογής των υλικών. Στο τελευταίο κομμάτι του δευτέρου κεφαλαίου δίνεται έμφαση στην περιγραφή των μηχανισμών αγωγιμότητας που διέπουν τα φαινόμενα μεταφοράς φορτίου μεταξύ νανοσωματιδίων και στην αρχή λειτουργίας των αισθητήρων. Στο τρίτο και τελευταίο μέρος της εργασίας, το πειραματικό (τρίτο κεφάλαιο), γίνεται λόγος για όλες τις πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν και όλες τις πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν. Τέλος παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις μετρήσεις όπως επίσης και η μέθοδος επεξεργασίας τους που ακολούθησε. Η εργασία ολοκληρώνεται με μία σύνοψη των συμπερασμάτων αλλά και προτάσεις για μελλοντικές εργασίες.This diploma thesis deals with the fabrication and investigation of detection capability of sensors with metallic nanoparticles that were prepared by means of a vacuum sputtering system. The main interest of this thesis is the selectivity of devices in various gaseous analytes. The selectivity of each sensor depends on the polymer that has been deposited as a detection film using the inkjet printing technique. The thesis is organized in three parts, the introduction, fabrication and experiments. In the first part (chapter one) a classification and analysis of all categories of sensors is presented, focusing mainly on chemical sensors, as they are the subject of this work. Also the main characteristics of nanoparticles and polymers are presented, since they are two categories of materials that will be used in the sensors and constitute the basis of the principle of operation. In the second chapter (fabrication) we are refering to the goals of this work, which form the basis for the design and construction the sensors. Afterwards follows an extensive step-by-step analysis of the construction of the devices and processes that took place as well as the selection of materials. The last piece of the second chapter focuses on the description of conductivity mechanisms governing the charge transfer phenomena between nanoparticles and the principle of operation of the sensors. The third and final part of the thesis refers to the experimental devices that were used and the experimental procedures that were followed. Finally the results of the measurements as well as their processing method is presented and commented upon. The thesis is concluded with a summary of the results and proposals for future work. Keywords: metal nanoparticles, polyΜαδιανός Μ. Λεωνίδα

Modelling and simulation analysis for the prediction of the performance of intrinsic conducting polymer current limiting device

© 2017 American Scientific Publishers All rights reserved. Previous studies have shown that the current limiting concept and interruption of short-circuit currents in low power applications have been introduced, particularly in polymer switch based on the positive temperature coefficient of resistance (PCTR) concept. However there are many restrictions in the active material, which consists of conductive fillers. This research presents a considerably improved and simplified approach that replaces the existing current limiters with faster switching elements. Its elegance lies in the remarkable simplicity and low-cost processes of producing the device using polyaniline (PANI) doped with methane-sulfonic acid (MSA). The experimental results have been modelled and simulated for moisture contents where its proved to be very significant in increasing the resistance thus implying good current-limiting properties. Sample characterization experiments have been performed and proven to be significantly enhanced in device response compared to conventional carbon block copolymer device. Additionally I–V (current voltage) characterisation in moisture presence environment is shown to increase the resistivity and also improved its current limiting performance