Ge quantum dot arrays grown by ultrahigh vacuum molecular beam epitaxy on the Si(001) surface: nucleation, morphology and CMOS compatibility

Issues of morphology, nucleation and growth of Ge cluster arrays deposited by ultrahigh vacuum molecular beam epitaxy on the Si(001) surface are considered. Difference in nucleation of quantum dots during Ge deposition at low (<600 deg C) and high (>600 deg. C) temperatures is studied by high resolution scanning tunneling microscopy. The atomic models of growth of both species of Ge huts---pyramids and wedges---are proposed. The growth cycle of Ge QD arrays at low temperatures is explored. A problem of lowering of the array formation temperature is discussed with the focus on CMOS compatibility of the entire process; a special attention is paid upon approaches to reduction of treatment temperature during the Si(001) surface pre-growth cleaning, which is at once a key and the highest-temperature phase of the Ge/Si(001) quantum dot dense array formation process. The temperature of the Si clean surface preparation, the final high-temperature step of which is, as a rule, carried out directly in the MBE chamber just before the structure deposition, determines the compatibility of formation process of Ge-QD-array based devices with the CMOS manufacturing cycle. Silicon surface hydrogenation at the final stage of its wet chemical etching during the preliminary cleaning is proposed as a possible way of efficient reduction of the Si wafer pre-growth annealing temperature.Comment: 30 pages, 11 figure

CMOS-compatible dense arrays of Ge quantum dots on the Si(001) surface: hut cluster nucleation, atomic structure and array life cycle during UHV MBE growth

We report a direct observation of Ge hut nucleation on Si(001) during UHV molecular beam epitaxy at 360°C. Nuclei of pyramids and wedges were observed on the wetting layer (WL) (M × N) patches starting from the coverage of 5.1 Å and found to have different structures. Atomic models of nuclei of both hut species have been built as well as models of the growing clusters. The growth of huts of each species has been demonstrated to follow generic scenarios. The formation of the second atomic layer of a wedge results in rearrangement of its first layer. Its ridge structure does not repeat the nucleus. A pyramid grows without phase transitions. A structure of its vertex copies the nucleus. Transitions between hut species turned out to be impossible. The wedges contain point defects in the upper corners of the triangular faces and have preferential growth directions along the ridges. The derived structure of the {105} facet follows the paired dimer model. Further growth of hut arrays results in domination of wedges, and the density of pyramids exponentially drops. The second generation of huts arises at coverages >10 Å; new huts occupy the whole WL at coverages ~14 Å. Nanocrystalline Ge 2D layer begins forming at coverages >14 Å

Study of Thermochemical Transformations of Hydrolytic Lignin and the Properties of the Produced Active Carbons

There has been studied the influence of the conditions of heat treatment of hydrolytic lignin and its mixtures with oil slime on the yield, structure and adsorption properties of active carbons (AC). With the increase in the temperature of lignin processing from 400 to 900 ˚C, the yield of active carbon decreases, and its specific surface area and sorption activity reach the maximum values at 800 ˚C. The mutual influence of the components of the mixture of hydrolytic lignin and oil slime during the thermochemical transformations, becomes apparent in the variation of the yield and the porous structure of AC. As for the oil slime, it acts as a binding and structure forming component

Sypramolecular Compounds as Precursors of Active Carbon (Review)

Выполнен обзор литературных и собственных данных авторов, рассматривающих ископаемые угли и продукты их реакций с различными веществами как супрамолекулярные соединения угля (СМС). Подходы к переработке ископаемых углей в пористые углеродные материалы (ПУМ) включают две основные стадии – трансформацию угля (исходного или модифицированного) в СМС за счет интеркалирования гидроксидами щелочных металлов и последующую термохимическую конверсию СМС в ПУМ. Анализ литературных данных показал, что новые способы конверсии угля в ПУМ основаны на следующих вариантах: 1) образование СМС с КОН (или NaOH) и последующий термолиз в интертной атмосфере при ≤ 900 °C; 2) химическая модификация угля и последующие карбонизация и «физическая» активация СО2 или паром при ≤ 1000 °C; 3) интеркалирование в уголь кислот-окислителей (HNO3 и др.) и последующая обработка в условиях теплового удара. Рассмотрен механизм образования СМС при обработке углей разной степени метаморфизма смесью HNO3–Ac2O. С ростом степени метаморфизма способность угля образовывать соединения включения угля изменяется экстремально с максимумом для углей с Сdaf = 87–90 %. Супрамолекулярные соединения угля с КОН превращаются в высокопористые углеродные материалы в результате термообработки при 800 °CReview of own and literature data, considering coal and products of coal reactions with different chemicals as supramolecular compounds of coal (SMC) was performed. Considered approaches to coal processing into porous carbon materials (PCM) include two main stages – the transformation of initial or modified coal into SMC by means of intercalation with alkali metals hydroxides and the following thermochemical conversion into PCM. Analysis of literature data showed that the new methods of coal conversion into PCM are based on the following options: 1) formation of SMC with KOH (or NaOH) and following thermolysis in an inert atmosphere at ≤ 900 °C; 2) chemical modification of coal and following carbonization and physical activation by CO2 or steam at ≤ 1000 °C; 3) coal intercalation by acids-oxidizers (H3NO3, etc.) and following treatment at conditions of heat stroke. Mechanism of SMC formation at treatments of coals with different degree of metamorphism by HNO3-Ac2O mixture was discussed. The ability of coal to form SMC depends on the degree of coal metamorphism and the maximum ability have the coals with Cdaf = 87–90 %. Supramolecular compounds of coal with KOH transform into high porosity carbon materials after thermal treatment at 800 °

Conversion of Alexandriya Brown Coal Into Microporous Carbons Under Alkali Activation

We studied the pore structure of activated carbons (ACs) formed during the thermolysis of Aleksandriya brown coal (Ukraine), which was preliminary impregnated with alkali metal hydroxides, МОН with M being Li, Na, or K. We explored how pore structure parameters such as surface area, a total pore volume, meso- and micropore volume are modified with changing processing parameters such as temperature, an alkali/coal ratio (up to 2 g/g) and the nature of alkali cation. We also determined pore size distribution for meso- and micropores and compared all the three hydroxides as to their effect on porosity development. The formation of microporous structure is evidenced on heating a KOH-impregnated coal (1 g/g) from 400 to 800 0С: a surface area rises from 13 to 1005 m2/g, while a micropore volume fraction increases from 1 to 68 % of the total pore volume. Microporous carbon is formed at 800 0C over 1 hin a yield of 30 %with SBET=1005 m2/g, a total pore volume of 0.55 cc/g and a micropore volume of 0.38 cc/g. The total pore volume grows monotonously in the range LiОН<NaОН<KОН. Potassium hydroxide is found to promote microporosity development, whereas both LiOH and NaOH (at 18 mmol/g) act as inhibitors for micropore growth.Была изучена пористая структура активированного угля (АУ), полученного термолизом бурого угля Александрийского месторождения (Украина), предварительно импрегнированного гидроксидом щелочного металла, МОН, где M = Li, Na, K. Было изучено, как меняются удельная поверхность, суммарный объем пор, объемы мезо- и микропор с изменением параметров процесса, таких как температура, соотношение щелочь/уголь (до 2 г/г) и природа катиона. Также было установлено распределение мезо- и микропор по размерам и влияние разных щелочей на развитие пористости. Очевидно, что микропористая система развивается при нагревании (от 400 оС до 800 оС) угля, импрегнированного КОН: удельная поверхность возрастает от 13 до 1005 м2/г, тогда как доля микропор увеличивается с 1 до 68 % общего объема пор. Микропористый материал формируется при 800 оС за 1 ч с выходом 30 %, удельной поверхностью 1005 м2/г, общим объемом пор 0,55 см3/г и объемом микропор 0,38 см3/г. Суммарный объем пор растет монотонно в ряду LiОН<NaОН<KОН

Interaction of Hydrogen Peroxide with Nanoporous Material Prepared by Alkaline Activation of the Brown Coal

The work analyzes applications of carbon adsorbents in catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) being a variant of Advanced Oxidation Processes (AOPs). Under CWPO condition (concentration [Н2О2] ≤ 30 %, 20±2 °C) we have studied the activity of nanoporous adsorbent АC-К prepared by КОН-activation (800 °C, 1 h) of brown coal. We have compared АC-К with solid product of thermolysis (SPT) of brown coal formed under the same conditions without КОН. АC-К, which has a high adsorbtion activity, catalyzes decomposition of Н2О2 to form ОН-radicals. This allows to combine two environmentally important processes: concentration of organic pollutants on the surface of adsorbent and their further decomposition by ОН-radicals. Decomposition of Н2О2 in presence of АC-К or SPT is described by kinetic first-order equation and runs 20-30 times faster in contact with АC-К. Rate constants vary within the range of 0.053-0.28 min-1 (АC-К) and 0.002-0.012 min-1 (SPT) and grow under [Н2О2] increasing. Oxidative modification of АC-К and SPT surfaces under CWPO conditions has been studied. The dependence between content of ОН groups in modified АC-К (24 h) samples and [Н2О2] is described as a curve with a maximum at [Н2О2] = 10 %, where the maximum modifying effect and the highest increse in ОН-groups content (from 1.00 to 1.55 mmole/g) are observed. Modification level is negligible; only 1 % of oxidant reacts to form functional groups.Рассмотрены применения углеродных адсорбентов в catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) как варианте Advanced Oxidation Processes (AOPs). В условиях CWPO (концентрация [Н2О2] ≤ 30 %, 20±2 °C) изучено поведение нанопористого адсорбента АУ-К, полученного КОН-активацией (800 °C, 1 ч) бурого угля. Проведено сравнение АУ-К с твердым продуктом термолиза (ТПТ) бурого угля, полученного в тех же условиях без КОН. АУ-К, обладающий высокой адсорбционной активностью, является катализатором разложения Н2О2 с образованием ОН-радикалов, что даёт возможность объединить два экологически значимых процесса: концентрирование органических экотоксикантов на поверхности адсорбента и их последующее расщепление ОН- радикалами. Разложение Н2О2 в присутствии АУ-К и ТПТ описывается уравнением кинетики I-го порядка и в контакте с АУ-К протекает в 20-30 раз быстрее. Константы скорости варьируются в интервалах 0,053-0,28 мин-1 (АУ-К) и 0,002-0,012 мин-1 (ТПТ) и с увеличением [Н2О2] возрастают. В условиях CWPO изучена окислительная модификация поверхности АУ-К и ТПТ. Зависимость содержания ОН-кислотных групп модифицированных образцов АУ-К (24 ч) от [Н2О2] передается кривой с максимумом при [Н2О2] = 10 %, где наблюдается максимальный модифицирующий эффект и наибольший прирост содержания ОН-групп (с 1,00 до 1,55 ммоль/г). Уровень модификации мал; не более 1 % окислителя идет на образование функциональных групп

Sypramolecular Compounds as Precursors of Active Carbon (Review)

Выполнен обзор литературных и собственных данных авторов, рассматривающих ископаемые угли и продукты их реакций с различными веществами как супрамолекулярные соединения угля (СМС). Подходы к переработке ископаемых углей в пористые углеродные материалы (ПУМ) включают две основные стадии – трансформацию угля (исходного или модифицированного) в СМС за счет интеркалирования гидроксидами щелочных металлов и последующую термохимическую конверсию СМС в ПУМ. Анализ литературных данных показал, что новые способы конверсии угля в ПУМ основаны на следующих вариантах: 1) образование СМС с КОН (или NaOH) и последующий термолиз в интертной атмосфере при ≤ 900 °C; 2) химическая модификация угля и последующие карбонизация и «физическая» активация СО2 или паром при ≤ 1000 °C; 3) интеркалирование в уголь кислот-окислителей (HNO3 и др.) и последующая обработка в условиях теплового удара. Рассмотрен механизм образования СМС при обработке углей разной степени метаморфизма смесью HNO3–Ac2O. С ростом степени метаморфизма способность угля образовывать соединения включения угля изменяется экстремально с максимумом для углей с Сdaf = 87–90 %. Супрамолекулярные соединения угля с КОН превращаются в высокопористые углеродные материалы в результате термообработки при 800 °CReview of own and literature data, considering coal and products of coal reactions with different chemicals as supramolecular compounds of coal (SMC) was performed. Considered approaches to coal processing into porous carbon materials (PCM) include two main stages – the transformation of initial or modified coal into SMC by means of intercalation with alkali metals hydroxides and the following thermochemical conversion into PCM. Analysis of literature data showed that the new methods of coal conversion into PCM are based on the following options: 1) formation of SMC with KOH (or NaOH) and following thermolysis in an inert atmosphere at ≤ 900 °C; 2) chemical modification of coal and following carbonization and physical activation by CO2 or steam at ≤ 1000 °C; 3) coal intercalation by acids-oxidizers (H3NO3, etc.) and following treatment at conditions of heat stroke. Mechanism of SMC formation at treatments of coals with different degree of metamorphism by HNO3-Ac2O mixture was discussed. The ability of coal to form SMC depends on the degree of coal metamorphism and the maximum ability have the coals with Cdaf = 87–90 %. Supramolecular compounds of coal with KOH transform into high porosity carbon materials after thermal treatment at 800 °

Study of Thermochemical Transformations of Hydrolytic Lignin and the Properties of the Produced Active Carbons

There has been studied the influence of the conditions of heat treatment of hydrolytic lignin and its mixtures with oil slime on the yield, structure and adsorption properties of active carbons (AC). With the increase in the temperature of lignin processing from 400 to 900 ˚C, the yield of active carbon decreases, and its specific surface area and sorption activity reach the maximum values at 800 ˚C. The mutual influence of the components of the mixture of hydrolytic lignin and oil slime during the thermochemical transformations, becomes apparent in the variation of the yield and the porous structure of AC. As for the oil slime, it acts as a binding and structure forming component

Influence of Chemical Activation Temperature on Forming Pore Structure of Adsorbents from Brown Coal

Исследовано влияние температуры химической активации (400-800 ºС) на характеристики пористой структуры адсорбентов, полученных из александрийского бурого угля, импрегнированного гидроксидом калия при весовом соотношении КОН/уголь 1 г/г. Характеристики рассчитаны на основании изотерм низкотемпературной (77 К) адсорбции-десорбции азота. Получены температурные зависимости величин удельной поверхности, суммарного объема пор, объемов мезо- и микропор, а также пор диаметром до 1 нм. Установлено, что КОН промотирует развитие поверхности (до 1000 м2/г и выше) и формирование пористой системы во всем температурном интервале. В области 400-600 ºС микро- и мезопоры формируются только за счет реакций угля со щелочью. При температурах 700-800 ºС наблюдается преобладающее образование микропор за счет подавления формирования мезопор. Максимальный объем пор диаметром до 1 нм (0,49 см3/г) достигается при 800 ºС и составляет 84 общего объема пор.It was studied an influence of chemical activation temperature (400-800 ºС) on pore structure characteristics of adsorbents prepared from Alexandria brown coal impregnated by potassium hydroxide under the 1 g/g KOH/coal weight ratio. Characteristics were calculated on low temperature (77 K) nitrogen adsorption-desorption isotherms. Temperature dependences of specific surface area, total pore volume, meso- and micropores volumes as well as 1 nm diameter pore volume were obtained. KOH was stated to promote surface area development (up to 1000 m2/g and above) and to form pore structure within the whole temperature range. Within 400-600 ºС range, micro- and mesopores are formed due to coal-alkali reactions only. At 700-800 ºС temperatures, dominant formation of micropores due to suppression of mesopores formation are observed. The maximum 1 nm diameter pore volume (0.49 cm3/g) is reached 84 total pore volume at 800 ºС

Interaction of Hydrogen Peroxide with Nanoporous Material Prepared by Alkaline Activation of the Brown Coal

The work analyzes applications of carbon adsorbents in catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) being a variant of Advanced Oxidation Processes (AOPs). Under CWPO condition (concentration [Н2О2] ≤ 30 %, 20±2 °C) we have studied the activity of nanoporous adsorbent АC-К prepared by КОН-activation (800 °C, 1 h) of brown coal. We have compared АC-К with solid product of thermolysis (SPT) of brown coal formed under the same conditions without КОН. АC-К, which has a high adsorbtion activity, catalyzes decomposition of Н2О2 to form ОН-radicals. This allows to combine two environmentally important processes: concentration of organic pollutants on the surface of adsorbent and their further decomposition by ОН-radicals. Decomposition of Н2О2 in presence of АC-К or SPT is described by kinetic first-order equation and runs 20-30 times faster in contact with АC-К. Rate constants vary within the range of 0.053-0.28 min-1 (АC-К) and 0.002-0.012 min-1 (SPT) and grow under [Н2О2] increasing. Oxidative modification of АC-К and SPT surfaces under CWPO conditions has been studied. The dependence between content of ОН groups in modified АC-К (24 h) samples and [Н2О2] is described as a curve with a maximum at [Н2О2] = 10 %, where the maximum modifying effect and the highest increse in ОН-groups content (from 1.00 to 1.55 mmole/g) are observed. Modification level is negligible; only 1 % of oxidant reacts to form functional groups.Рассмотрены применения углеродных адсорбентов в catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) как варианте Advanced Oxidation Processes (AOPs). В условиях CWPO (концентрация [Н2О2] ≤ 30 %, 20±2 °C) изучено поведение нанопористого адсорбента АУ-К, полученного КОН-активацией (800 °C, 1 ч) бурого угля. Проведено сравнение АУ-К с твердым продуктом термолиза (ТПТ) бурого угля, полученного в тех же условиях без КОН. АУ-К, обладающий высокой адсорбционной активностью, является катализатором разложения Н2О2 с образованием ОН-радикалов, что даёт возможность объединить два экологически значимых процесса: концентрирование органических экотоксикантов на поверхности адсорбента и их последующее расщепление ОН- радикалами. Разложение Н2О2 в присутствии АУ-К и ТПТ описывается уравнением кинетики I-го порядка и в контакте с АУ-К протекает в 20-30 раз быстрее. Константы скорости варьируются в интервалах 0,053-0,28 мин-1 (АУ-К) и 0,002-0,012 мин-1 (ТПТ) и с увеличением [Н2О2] возрастают. В условиях CWPO изучена окислительная модификация поверхности АУ-К и ТПТ. Зависимость содержания ОН-кислотных групп модифицированных образцов АУ-К (24 ч) от [Н2О2] передается кривой с максимумом при [Н2О2] = 10 %, где наблюдается максимальный модифицирующий эффект и наибольший прирост содержания ОН-групп (с 1,00 до 1,55 ммоль/г). Уровень модификации мал; не более 1 % окислителя идет на образование функциональных групп