Protection of Aluminum Foils against Environmental Corrosion with Graphene-Based Coatings

Commercial aluminum foils were coated by graphene oxide, and its functionalized derivatives and the corrosion performance of the coated specimens were examined in acidic conditions (lithium perchlorate and sulfuric acid). Electrochemical experiments have shown that all graphene oxide-coated specimens provided up to 96% corrosion inhibition efficiency with a corresponding lower corrosion rate compared to the bare aluminum foil. Our results clearly show that graphene-related materials offer viable alternatives for the protection of aluminum, and this opens up a number of possibilities for its use in a number of commercial applications

Fate assessment of commercial 2D MoS2 aqueous dispersions at physicochemical and toxicological level

The physicochemical properties and the toxicological potential of commercially available MoS2 nanoparticles with different lateral size and degradation stage were studied in the present research work. To achieve this, the structure and stoichiometry of fresh and old aqueous suspensions of micro-MoS2 and nano-MoS2 was analyzed by Raman, while x-ray photoelectron spectroscopy allowed to identify more quantitatively the nature of the formed oxidized species. A, the toxicological impact of the nanomaterials under analysis was studied using adenocarcinomic human alveolar basal epithelial cells (A549 cells) and the unicellular fungus S. cerevisiae as biological models. Cell viability assays and reactive oxygen species (ROS) determinations demonstrated different toxicity levels depending on the cellular model used and in function of the degradation state of the selected commercial nanoproducts. Both MoS2 nanoparticle types induced sublethal damage on the A549 cells though the increase of intracellular ROS levels, while comparable concentrations reduced the viability of yeast cells. In addition, the old MoS2 nanoparticles suspensions exhibited a higher toxicity for both human and yeast cells than the fresh ones. Our findings demonstrate that the fate assessment of nanomaterials is a critical aspect to increase the understanding on their characteristics and on their potential impact on biological systems along their life cycle

Mechanical, Electrical, and Thermal Properties of Carbon Nanotube Buckypapers/Epoxy Nanocomposites Produced by Oxidized and Epoxidized Nanotubes

High volume fraction carbon nanotube (CNT) composites (7.5–16% vol.) were fabricated by the impregnation of CNT buckypapers into epoxy resin. To enhance the interfacial reaction with the epoxy resin, the CNTs were modified by two different treatments, namely, an epoxidation treatment and a chemical oxidation. The chemical treatment was found to result in CNT length severance and to affect the porosity of the buckypapers, having an important impact on the physico-mechanical properties of the nanocomposites. Overall, the mechanical, electrical, and thermal properties of the impregnated buckypapers were found to be superior of the neat epoxy resin, offering an attractive combination of mechanical, electrical, and thermal properties for multifunctional composites

Assessment of Physico-Chemical and Toxicological Properties of Commercial 2D Boron Nitride Nanopowder and Nanoplatelets

Boron nitride (BN) nanomaterials have been increasingly explored for potential applications in chemistry and biology fields (e.g., biomedical, pharmaceutical, and energy industries) due to their unique physico-chemical properties. However, their safe utilization requires a profound knowledge on their potential toxicological and environmental impact. To date, BN nanoparticles have been considered to have a high biocompatibility degree, but in some cases, contradictory results on their potential toxicity have been reported. Therefore, in the present study, we assessed two commercial 2D BN samples, namely BN-nanopowder (BN-PW) and BN-nanoplatelet (BN-PL), with the objective to identify whether distinct physico-chemical features may have an influence on the biological responses of exposed cellular models. Morphological, structural, and composition analyses showed that the most remarkable difference between both commercial samples was the diameter of their disk-like shape, which was of 200–300 nm for BN-PL and 100–150 nm for BN-PW. Their potential toxicity was investigated using adenocarcinomic human alveolar basal epithelial cells (A549 cells) and the unicellular fungus Saccharomycescerevisiae, as human and environmental eukaryotic models respectively, employing in vitro assays. In both cases, cellular viability assays and reactive oxygen species (ROS) determinations where performed. The impact of the selected nanomaterials in the viability of both unicellular models was very low, with only a slight reduction of S. cerevisiae colony forming units being observed after a long exposure period (24 h) to high concentrations (800 mg/L) of both nanomaterials. Similarly, BN-PW and BN-PL showed a low capacity to induce the formation of reactive oxygen species in the studied conditions. Even at the highest concentration and exposure times, no major cytotoxicity indicators were observed in human cells and yeast. The results obtained in the present study provide novel insights into the safety of 2D BN nanomaterials, indicating no significant differences in the toxicological potential of similar commercial products with a distinct lateral size, which showed to be safe products in the concentrations and exposure conditions tested

High Electron Mobility Thin-Film Transistors Based on Solution-Processed Semiconducting Metal Oxide Heterojunctions and Quasi-Superlattices

High mobility thin‐film transistor technologies that can be implemented using simple and inexpensive fabrication methods are in great demand because of their applicability in a wide range of emerging optoelectronics. Here, a novel concept of thin‐film transistors is reported that exploits the enhanced electron transport properties of low‐dimensional polycrystalline heterojunctions and quasi‐superlattices (QSLs) consisting of alternating layers of In(2)O(3), Ga(2)O(3,) and ZnO grown by sequential spin casting of different precursors in air at low temperatures (180–200 °C). Optimized prototype QSL transistors exhibit band‐like transport with electron mobilities approximately a tenfold greater (25–45 cm(2) V(−1) s(−1)) than single oxide devices (typically 2–5 cm(2) V(−1) s(−1)). Based on temperature‐dependent electron transport and capacitance‐voltage measurements, it is argued that the enhanced performance arises from the presence of quasi 2D electron gas‐like systems formed at the carefully engineered oxide heterointerfaces. The QSL transistor concept proposed here can in principle extend to a range of other oxide material systems and deposition methods (sputtering, atomic layer deposition, spray pyrolysis, roll‐to‐roll, etc.) and can be seen as an extremely promising technology for application in next‐generation large area optoelectronics such as ultrahigh definition optical displays and large‐area microelectronics where high performance is a key requirement

Interfacial study of ultrathin films of metallic nickel and nickel oxide on alumina and yttria-stabilized zirconia surfaces

Metal-ceramic systems have many technological applications in composite materials, microelectronics, as well as in heterogeneous catalysis. During the last decades, metal-ceramic interfaces have been extensively studied under ultrahigh vacuum conditions with surface-sensitive techniques. In this study, the interaction of nickel and nickel oxide ultrathin films with different oxide surfaces upon heating in ultrahigh vacuum (UHV) was examined. Specifically, yttria stabilized zirconia (9% mol Y2O3, YSZ) and α-alumina monocrystalline surfaces, as well as polycrystalline γ-alumina films developed on aluminum foil were studied. The main emphasis was on the influence of the oxide’s surface treatment on the behavior of nickel and nickel oxide ultrathin films upon heating. Moreover, the influence of γ -alumina film thickness on the initial stages of nickel growth and the behavior of submonolayer nickel films upon heating were investigated. The experiments were performed in an ultrahigh vacuum system equipped with the surface sensitive techniques: X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and X-Ray-induced Auger Electron Spectroscopy (XAES). The first part of this study covered the interaction of ultrathin nickel films with YSZ surfaces, in relation to YSZ surface treatment and nickel coverage, upon heating in UHV in the temperature range 400-850K. In addition, the thermal stability of nickel oxide films in relation to the surface treatment was studied. It was found that, upon heating the Ni/YSZ system at 480-850K, nickel was oxidized via the substrate mobile oxygen ions excess and the rate of oxidation depended strongly on the state of the surface. Depending on how much the substrate treatment reduces the oxygen excess in both the bulk and the surface, the substrate-induced oxidation rate is reduced accordingly. The Ni oxidation mechanism via the substrate is similar to that for gas phase oxidation. The state of the surface also influences the thermal stability of nickel oxide films. The reduction of the substrate oxygen excess leads to a significant decrease of the NiO decomposition temperature, which is expected to be higher than 900 K in our UHV chamber. The oxidation capability of the YSZ crystal is completely restored after heating at high temperatures in an oxygen atmosphere. The second part of this study examined the behavior of ultrathin nickel films on pristine and modified single-crystal α-Al2O3 surfaces upon heating at 600-900K. It was found that the nickel/α-Al2O3 interaction strongly depended on the chemical state of the surface, namely on the presence of carbon, hydroxyl groups and non-lattice oxygen. These impurities / defects may appear due to the sample exposure to the atmosphere prior to introduction in the UHV chamber and may also be created or modified via surface treatment outside and within the UHV chamber (ex-situ oxygen plasma treatment, in-situ Ar+ sputtering, heating in UHV or in the presence of oxygen). The interaction between deposited nickel and surface defects can lead to nickel coalescence, partial oxidation and/or a NiAlxOy chemical compound formation. The microstructure and chemical state of the surface also affect the thermal stability of nickel oxide ultrathin films, as the presence of carbon and NiAlxOy can deactivate or bind the surface oxygen. As a result, the nickel oxide decomposes to metallic nickel at lower temperature, compared with the estimated thermodynamic stability limit for NiO in the UHV chamber (above 900K). On pristine, pure α-Al2O3 surfaces (without the presence of carbon but with the presence of hydroxyls groups) the nickel oxide is stable up to 900K. The last part of this study involved the interfacial interaction of submonolayer nickel films with γ-Al2O3/Al surfaces in the very early stages of growth and upon subsequent heating up to 790K, studied as a function of the γ-Al2O3 film thickness. Upon submonolayer nickel film growth and subsequent heating up to 600K, the reduction of the alumina film thickness leads on the one hand to a decrease of the tendency of surface hydroxyl groups to oxidize nickel and on the other hand to an increased formation of a NiAlx intermetallic compound. The NiAlx is formed as a result of nickel diffusion towards the aluminium substrate. This diffusion takes place due to the existence of microholes in the alumina film. Upon heating up to 790K, the initially formed NiO decomposes to metallic Ni, whereas the Ni of the NiAlx intermetallic compound diffuses inside the metallic aluminium. In all cases, metallic nickel remains on the γ-alumina surface.Με αφορμή τις πολλές εφαρμογές που έχουν οι διεπιφάνειες μετάλλου με κεραμικό υπόστρωμα, όπως στα σύνθετα υλικά, τη μικροηλεκτρονική και την ετερογενή κατάλυση, τα συστήματα αυτά έχουν μελετηθεί εκτεταμένα τις τελευταίες δεκαετίες με πρότυπα πειράματα σε συνθήκες υπερυψηλού κενού. Στην εργασία αυτή, μελετήθηκε η αλληλεπίδραση κατά την θέρμανση σε υπερυψηλό κενό υπέρλεπτων υμενίων νικελίου και οξειδίου του νικελίου με επιφάνειες διαφόρων οξειδίων. Συγκεκριμένα, η μελέτη έγινε σε μονοκρυσταλλικές επιφάνειες ζιρκονίας σταθεροποιημένης με 9% ύττρια (YSZ) και α-αλουμίνας, καθώς επίσης και σε πολυκρυσταλλική επιφάνεια γ-αλουμίνας αναπτυγμένη σε φύλλο αλουμινίου. Έμφαση δόθηκε στην επίδραση που έχει η κατεργασία της επιφάνειας του οξειδίου στη συμπεριφορά του νικελίου και του οξειδίου του νικελίου κατά την θέρμανση. Στο σύστημα γ-Al2O3/Al, μελετήθηκε επίσης η επίδραση του πάχους της γ-αλουμίνας στην συμπεριφορά του Ni κατά τη θέρμανση. Τα πειράματα έγιναν σε σύστημα υπερυψηλού κενού (UHV) με τις επιφανειακά ευαίσθητες τεχνικές φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων και ηλεκτρονίων Auger από ακτίνες-Χ (XPS/XAES). Στο πρώτο μέρος της εργασίας μελετήθηκε η εξάρτηση της συμπεριφοράς του Ni από τις επιφανειακές κατεργασίες του υποστρώματος και από την ποσότητα του αποτιθέμενου Ni σε επιφάνειες YSZ κατά τη θέρμανση σε θερμοκρασίες 400-850Κ. Επίσης, εξετάστηκε η θερμική σταθερότητα οξειδίου του νικελίου σε σχέση με τις επιφανειακές κατεργασίες του υποστρώματος. Βρέθηκε ότι το Ni σε YSZ οξειδώνεται με θέρμανση σε θερμοκρασίες 480-850Κ από ευκίνητα ιόντα οξυγόνου του υποστρώματος και ο ρυθμός οξείδωσης εξαρτάται σημαντικά από την κατάσταση της επιφάνειας. Ανάλογα με το πόσο η κατεργασία του υποστρώματος μειώνει την συνολική συγκέντρωση της περίσσειας οξυγόνου στο εσωτερικό και στην επιφάνεια της YSZ, μειώνεται ο ρυθμός οξείδωσης του αποτιθέμενου Ni από το υπόστρωμα. Ο τρόπος οξείδωσης του Ni από το υπόστρωμα είναι παρόμοιος με τον τρόπο οξείδωσης του Ni από οξυγόνο αέριας φάσης. Η κατάσταση της επιφάνειας επηρεάζει την θερμική σταθερότητα οξειδίου του νικελίου, αφού η ελάττωση του οξυγόνου στο εσωτερικό του οδηγεί σε σημαντική μείωση της θερμοκρασίας διάσπασης του οξειδίου του νικελίου, το οποίο θερμοδυναμικά αναμένεται να διασπαστεί πάνω από τους 900Κ. Η οξειδωτική ικανότητα του κρυστάλλου YSZ ως προς το Ni αποκαθίσταται πλήρως με έκθεση σε οξυγόνο σε υψηλή θερμοκρασία. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας μελετήθηκε η εξάρτηση της συμπεριφοράς του νικελίου από τη δομή και την επιφανειακή κατεργασία των υποστρωμάτων κατά τη θέρμανση σε θερμοκρασίες 600-900Κ σε επιφάνειες μονοκρυσταλλικής α-Al2O3 Βρέθηκε ότι οι διαφορές στη μικροδομή και τη χημική κατάσταση της επιφάνειας της α-Al2O3 ως αποτέλεσμα των διάφορων κατεργασιών της είναι πολύ σημαντικές για την αλληλεπίδρασή της με υπομονοστρωματικές ποσότητες Ni. Οι διαφορές αυτές συνίστανται στην παρουσία ή μη επιφανειακών προσμίξεων (κυρίως υδροξυλίων και άνθρακα) και άλλων επιφανειακών ατελειών (κυρίως μη πλεγματικού οξυγόνου) που εμφανίζονται στην επιφάνεια εξαιτίας της έκθεσής της στην ατμόσφαιρα πριν την εισαγωγή της στον θάλαμο του κενού και τροποποιούνται ή/και δημιουργούνται με την κατεργασία της επιφάνειας τόσο έξω όσο και μέσα στο θάλαμο υπερυψηλού κενού, (πλάσμα οξυγόνου, ιοντοβολή αργού, θέρμανση σε UHV ή σε ατμόσφαιρα οξυγόνου). Η αλληλεπίδραση του Ni με τις επιφανειακές ατέλειες μπορεί να οδηγήσει είτε σε απλή συσσωμάτωση, ή σε μερική οξείδωση των υπέρλεπτων υμενίων νικελίου ή σε κάποιες περιπτώσεις στην δημιουργία διεπιφανειακών ενώσεων τύπου NiAlxOy. Η θερμική σταθερότητα του οξειδίου του νικελίου επίσης εξαρτάται από την μικροδομή και τη χημική κατάσταση της επιφάνειας, αφού η παρουσία άνθρακα καθώς και η δημιουργία διεπιφανειακής ένωσης στην επιφάνεια των δειγμάτων απενεργοποιούν ή δεσμεύουν οξυγόνο και οδηγούν σε διάσπαση του οξειδίου του νικελίου σε θερμοκρασία μικρότερη από την θερμοδυναμικά αναμενόμενη. Αντίθετα, σε καθαρές επιφάνειες αλουμίνας παρουσία υδροξυλίων στην επιφάνεια, το οξείδιο του νικελίου είναι σταθερό με την θέρμανση μέχρι τους 900Κ. Στο τρίτο μέρος της εργασίας, μελετήθηκε η επίδραση του πάχους υμενίων του οξειδίου γ-Al2O3/Al από 15nm μέχρι 0.7nm στην συμπεριφορά του συστήματος Ni/γ-Al2O3/Al κατά τα πολύ αρχικά στάδια της ανάπτυξης του νικελίου και κατά την θέρμανση σε θερμοκρασίες μέχρι 790Κ. Βρέθηκε ότι κατά την ανάπτυξη υπομονοστρωματικών υμενίων νικελίου και κατά τη θέρμανση τους μέχρι τους 600Κ, η μείωση του πάχους του οξειδίου οδηγεί σε ελάττωση της τάσης του νικελίου για οξείδωση από τα επιφανειακά υδροξύλια της γ-Al2O3 και σε αύξηση του σχηματισμού επιφανειακής ένωσης NiAlx μέσω διάχυσης του Ni προς το φύλλο Al από μικροοπές του υμενίου. Κατά την θέρμανση των ίδιων υμενίων νικελίου στους 790Κ, διασπάται το NiO που είχε σχηματιστεί κατά την απόθεση και κατά την προηγούμενη θέρμανση σε 600Κ πάνω στο οξείδιο, ενώ το νικέλιο της ένωσης NiAlx διαλύεται μέσα στο μεταλλικό αλουμίνιο. Σε κάθε περίπτωση παραμένει νικέλιο στην επιφάνεια του οξειδίου και σταθεροποιείται στην μεταλλική του μορφή πάνω στα λεπτά υμένια γ-Al2O3

Medium energy ion scattering for the high depth resolution characterisation of high-k dielectric layers of nanometer thickness

Medium energy ion scattering (MEIS) using, typically, 100–200 keV H+ or He+ ions derives it ability to characterise nanolayers from the fact that the energy after backscattering depends (i) on the elastic energy loss suffered in a single collision with a target atom and (ii) on the inelastic energy losses on its incoming and outgoing trajectories. From the former the mass of the atom can be determined and from the latter its depth. Thus MEIS yields depth dependent compositional and structural information, with high depth resolution (sub-nm near the surface) and good sensitivity for all but the lighter masses. It is particularly well suited for the depth analysis of high-k multilayers of nanometer thickness. Accurate quantification of the depth distributions of atomic species can be obtained using suitable spectrum simulation. In the present paper, important aspects of MEIS including quantification, depth resolution and spectrum simulation are briefly discussed. The capabilities of the technique in terms of the high depth resolution layer compositional and structural information it yields, is illustrated with reference to the detailed characterisation of a range of high-k nanolayer and multilayer structures for current microelectronic devices or those still under development: (i) HfO2 and HfSiOx for gate dielectric applications, including a TiN/Al2O3/HfO2/SiO2/Si structure, (ii) TiN/SrTiO3/TiN and (iii) TiO2/Ru/TiN multilayer structures for metal–insulator–metal capacitors (MIMcaps) in DRAM applications. The unique information provided by the technique is highlighted by its clear capability to accurately quantify the composition profiles and thickness of nanolayers and complex multilayers as grown, and to identify the nature and extent of atom redistribution (e.g. intermixing, segregation) during layer deposition, annealing and plasma processing. The ability makes it a valuable tool in the development of the nanostructures that will become increasingly important as device dimensions continue to be scaled down