Repositório Colecção: Dissertações de Mestrado/Master ThesisDissertações de Mestrado/Master Thesishttps://hdl.handle.net/1822/18912024-03-28T22:52:42Z2024-03-28T22:52:42ZElectron microscopy and spectroscopy study of modified titanate nanowires and nanotubesSathyanath, Sharath Kumar Manjeshwarhttps://hdl.handle.net/1822/559252018-09-20T14:16:58Z2018-09-20T14:16:58ZTítulo: Electron microscopy and spectroscopy study of modified titanate nanowires and nanotubes
Autor: Sathyanath, Sharath Kumar Manjeshwar
Resumo: One dimensional titanate nanostructures, such as titanate nanowires (TNWs) and
nanotubes (TNTs), are promising alternatives to TiO2 in various applications including
photocatalysis. They combine the properties of TiO2 nanoparticles with the properties
of layered titanates such as ion exchange ability and higher speci c surface area, due to
their open mesoporous morphology.
In this thesis, investigations on cobalt doped and intercalated titanate nanowires
and nanotubes using various characterization techniques are presented. Aberration
corrected electron microscopy along with energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX), is
employed to ascertain the morphology, structure and chemical composition of the titanate
nanostructures. In order to minimize electron beam induced damage, electron microscopy
was carried out at 80 kV. EDX mapping revealed the distribution of the various elements
including the dopant intercalant cobalt in both nanotubes and nanowires. L3/ L2 white
line ratio in energy loss spectroscopy (EELS) is used to determine the oxidation state
of cobalt in the modi ed titanate nanostructures, from single nanowire/nanotube. This
analysis indicates the presence of cobalt in mixed oxidation state (2+ and 3+) in doped
samples and 2+ oxidation state in intercalated samples. These findings were further
confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements. Raman analysis
showed notable changes in the characteristic Raman peaks in the case of cobalt doped
and intercalated titanate nanowires and nanotubes in comparison to the reference titanate
nanowires and nanotubes. Cobalt incorporation was better achieved in the intercalated
TNT and TNW samples in comparison to that of doped TNTs and TNWs.
The findings in this work are very relevant because they can contribute to better
understand, and even anticipate, the performance of such metal modified nanostructures,
since they make possible to relate the performance with the amount, position and
oxidation state of the metal in the nanostructure.; As nanoestruturas unidimensionais de titanato, ou seja, nanofios (TNWs) e nanotubos
(TNTs), apresentam-se como alternativas muito promissoras ao TiO2 em várias aplicações,
em particular como fotocatalisadores. Estas estruturas combinam as propriedades e
aplicações, das nanopartículas de TiO2, como por exemplo atividade (foto)catalítica com
as propriedades dos titanatos lamelares, como a capacidade de troca iónica e elevada
área superficial, decorrente da morfologia mesoporosa que apresentam. Nesta tese, são
apresentados estudos de caracterização, de nanofios e nanotubos de titanato dopados
e intercalados com cobalto, usando diferentes técnicas instrumentais. Neste ^âmbito, a
microscopia eletrónica de aberração corrigida juntamente com a espectroscopia de energia
dispersiva de raios X(EDX), foram utilizadas para averiguar a morfologia, estrutura
e composição química das nanoestruturas de titanato. Nos estudos de microscopia
eletrónica, e de forma a minimizar os danos criados pelo feixe de eletrões, foram aplicadas
tensões na ordem dos 80 kV. O mapeamento de EDX revelou a distribuição dos vários
elementos, incluindo o cobalto utilizado como dopante/intercalante nos nanotubos e
nanofios. A razão L3/ L2 da linha branca na espectroscopia de perda de energia
(EELS) foi usada para determinar o estado de oxidação do cobalto nas nanoestruturas
elongadas de titanato modificado. As análises efetuadas em partículas isoladas de TNTs
e TNWs modificados indicam a presença de cobalto com estado de oxidação misto (2+
e 3+) nas amostras dopadas e com estado de oxidação (2+) nas amostras intercaladas.
Estes resultados foram confirmados por medidas de espetroscopia fotoeletrónica de raios
X (XPS). Por espectrosocopia Raman verificaram-se mudanças significativas nos picos
característicos para os casos dos nanofios e nanotubos de titanato dopados ou intercalados
com cobalto, quando comparados com os obtidos para as estruturas de referência, TNTs
e TNWs. A incorporação de cobalto foi melhor conseguida nas amostras intercaladas de
TNTs e TNWs quando comparadas com os TNTs e TNWs dopados.
Os resultados obtidos no decorrer deste trabalho são muito relevantes pois permitem
compreender melhor, e mesmo antecipar, o desempenho destas estruturas modificadas,
pois torna possível relacionar o desempenho de um determinado material, modificado por
incorporação de um metal, com a quantidade, a posição e o estado de oxidação desse
mesmo metal na estrutura.
Descrição: Dissertação de mestrado em Physics
<b>Tipo</b>: masterThesis2018-09-20T14:16:58ZModelação de nanocatalisadores para aplicações fotocatalíticasFerreira, Catarina Gonçalveshttps://hdl.handle.net/1822/458212019-02-04T07:00:24ZTítulo: Modelação de nanocatalisadores para aplicações fotocatalíticas
Autor: Ferreira, Catarina Gonçalves
Resumo: A fotocatálise heterogénea, com recurso a semicondutores, tem sido um dos principais
processos de tratamento de aguas contaminadas. Entre os possíveis catalisadores
existentes, o dióxido de titânio (TiO2) e aquele cujas propriedades mais se adequam aos
processos fotocatalíticos, uma vez que este composto é química e biologiamente inerte,
estável quando irradiado, não-tóxico, barato e fácil de produzir. No entanto, o seu band
gap e bastante elevado, na gama do ultravioleta (UV), o que faz com que possua uma
ativação espectral reduzida, j a que a radiação UV corresponde a apenas 5 % do espectro
solar. Assim, um dos principais objetivos da comunidade cientifica passa por alcançar
um controlo efetivo do gap energético do TiO2, nomeadamente através de uma dopagem
adequada ou pela criação de nanocompósitos, de modo a permitir que a fotocatálise se
desencadeie utilizando radiação visível. Estes estudos podem ser realizados não apenas
experimentalmente, mas também recorrendo a modelação computacional. Esta constitui
uma ferramenta bastante útil, que permite avaliar as propriedades electrónicas de diferentes
materiais e assim estimar a sua aplicabilidade ao processo de fotocatálise.
O presente trabalho foi então dedicado ao estudo teórico e experimental da e ciência
fotocatalítica de nanocompósitos de TiO2 com grafeno e com oxido de grafeno. Assim, foi
utilizado o método tight binding baseado na teoria dos funcionais de densidade (DFTB)
para determinar as propriedades electrónicas destes compósitos para aplicação à fotocatálise. Paralelamente, foram realizados ensaios de degradação de uma solução de azul
de metileno, no UV, e de ciprofloxacina, no visível, com o intuito de avaliar experimentalmente
o desempenho fotocatalítico dos nanocompósitos em estudo e assim compará-lo
com os resultados teóricos.
Os resultados teóricos obtidos para as propriedades electrónicas dos compósitos indicaram
que estes deverão ser mais eficientes para aplicações fotocatalíticas do que o dióxido
de titânio puro, devido ao facto de possuírem um band gap mais reduzido e de promoverem
a separação dos portadores de carga. Por outro lado, os ensaios de degradação de uma
solução de azul de metileno no UV revelaram que os nanocompósitos foram mais eficientes
na degradação deste composto do que o TiO2 puro, ao contrário do que se verificou
nos ensaios de degradação de uma solução de ciprofloxacina no visível. Estes resultados
indicaram assim que a eficiência fotocatalítica depende não só do material utilizado como
catalisador, mas também dos compostos a degradar.; Semiconductor-based heterogeneous photocatalysis has been one of the most promising
processes for the treatment of contaminated water. Among the available catalysts,
titanium dioxide (TiO2) presents the best photocatallytic properties, being chemically
and biologically inert, stable, non-toxic, cheap and easy to produce. However, its energy
bang gap is quite wide, in the ultraviolet (UV) range, which is responsible for a reduced
spectral activation, since UV radiation corresponds to only 5% of the solar spectrum.
For this reason, one of the main purposes of the scienti c community is to achieve an
e ective control of TiO2's band gap, namely through an adequate doping of this material,
or through the creation of nanocomposites, in order to enable photocatalysis occurence
by the incidence of visible light. These studies can be conducted not only experimentally,
but also resorting to computational modelling. This constitutes a very useful tool, since
it allows the evaluation of the electronic properties of a given material and the subsequent
estimation of its applicability to photocatalysis.
In this sense, the present work was dedicated to the theoretical and experimental
study of the photocatalytic e ciency of nanocomposites of TiO2 with graphene and
graphene oxide. On the one hand, density functional tight binding (DFTB) method was
used in order to determine the electronic properties of these composites towards application
to photocatalysis. On the other hand, degradation tests of methylene blue, under UV
radiation, and cipro
oxacin, under visible radiation, were conduted in order to experimentally
evaluate the photocatalytic performance of these nanocomposites and to compare it
with the theoretical results.
Theoretical results of the electronic properties of the composites pointed out that
these shall be more e cient than pure TiO2 towards photocatallytic application, due to
their reduced band gap and e cient separation of charge carriers. Experimentally, degradation
tests of methylene blue under UV radiation showed that the nanocomposites are
more e cient than pure TiO2 regarding the degradation of this compound, in opposition
to what happened in the degradation of the cipro
oxacin under visible radiation. Therefore,
this results indicate that photocatallytic e ciency depends not only on the catalyst
used, but also on the compounds to degradate.
Descrição: Dissertação de mestrado em Física (área de especialização em Física Aplicada)
<b>Tipo</b>: masterThesisGeração de segundo harmónico em nanofibras poliméricas dopadas com cristais orgânicosMota, Inês Saavedra Almeida Barroshttps://hdl.handle.net/1822/456182017-05-15T16:22:03Z2017-05-15T16:22:03ZTítulo: Geração de segundo harmónico em nanofibras poliméricas dopadas com cristais orgânicos
Autor: Mota, Inês Saavedra Almeida Barros
Resumo: Os cristais orgânicos têm sido alvo de um especial interesse tecnológico, por apresentarem
não-linearidades óticas superiores aos materiais cristalinos inorgânicos. A
para-nitroanilina (pNA) é um cristal orgânico que tem sido bastante estudado, pois
apresenta uma elevada hiperpolarizabilidade. Contudo, esta cristaliza numa estrutura
centro-simétrica, proibindo a ocorrência de respostas óticas não-lineares, como
a Geração de Segundo Harmónico (SHG). Verificou-se, porém, que quando estes
cristais estão incorporados em nanofibras produzidas pelo processo de electrospin-
ning, é medido um alto sinal de SHG. Esta tese tem, assim, como objetivo principal
compreender a origem física desta resposta não-linear elevada. Para tal, foram conduzidos
dois estudos. O primeiro consiste na criação de um modelo fenomenológico,
que pressupõe que a geração de segundo harmónico e proveniente das superfícies,
onde existe quebra de centro-simetria do interior do cristal. O segundo estudo procura
compreender como o sinal de SHG é afetado com a variação de parâmetros no
processo de electrospinning. Para além disso, compara-se o sinal das fibras de pNA
com o sinal gerado por nanofibras dopadas com outros cristais orgânicos da mesma
família da pNA. Esta análise ser a feita recorrendo aos resultados obtidos através da
difracção de raios-X, microscopia electrónica de varrimento e polarimetria de SHG.
A medição de um sinal de SHG a partir das nanofibras dopadas com cristais de
para-nitroanilina, obtidas por electrospinning, revelou que estas são um gerador de
segundo harmónico com bastante potencial, quando são ajustados certos parâmetros
do processo mencionado, como o diâmetro de agulha, a taxa de deposição, o potencial
aplicado, a concentração do cristal de pNA e o polímero escolhido.
Verificou-se, também, uma elevada diferença entre os valores previstos teoricamente
através do modelo fenomenológico criado e os valores estimados experimentalmente.
Desta forma, o sinal de SHG medido não ser a unicamente proveniente das superfícies
do cristal. Aponta-se para uma possível contribuição multipolar ou para um eventual
sinal proveniente de uma nova fase que cresce entre as superfícies dos cristais e o
polímero e cuja presença não e detetada na difracção de raios-X.; Organic crystals have been the focus of a special technological interest, because
they present optical nonlinearities superior to inorganic crystalline materials. Paranitroaniline
(pNA) is an organic crystal that has been extensively studied due to the
fact that it presents a high hyperpolarizability. However, it crystallizes in a centersymmetrical
structure, preventing the occurrence of nonlinear optical responses, such
as Second Harmonic Generation (SHG). It was found, however, that when these
crystals are incorporated into nano bers produced by the electrospinning process, a
high SHG signal is measured. Thus, the main objective of this thesis is to understand
the physical origin of this high non-linear response. To achieve this goal, two studies
were conducted. The rst approaches the creation of a phenomenological model,
which assumes that the second harmonic generation is coming from areas where
there is a break in the center symmetry in the crystal interior. The second study
seeks to understand how the SHG signal is a ected with varying parameters in the
electrospinning process and the use of other organic crystals from the same family
of pNA in the bers. This analysis will be done using the results obtained by X-ray
di raction, scanning electron microscopy and SHG polarimetry.
The measurement of the SHG signal from nano bers doped with para-nitroaniline
crystals obtained by electrospinning, revealed that these are a second harmonic
generator with plenty of potential, when certain parameters of that process are
adjusted, as the needle diameter, the deposition rate, the applied potential, the
concentration of pNA crystal and polymer selected.
It was also found a large di erence between the values experimentally estimated and
the values predicted by the created phenomenological model. Thus, it seems that
the SHG signal measured does not arise only from the surfaces of the crystal. It is
conjectured the existence of a multipolar contribution or a signal from a new phase
that grows between the surfaces of the crystals and the polymer and whose presence
is not detected in X-ray di raction.
Descrição: Dissertação de mestrado em Física (área de especialização Física Fundamental)
<b>Tipo</b>: masterThesis2017-05-15T16:22:03ZDeposition and characterization of CdS and ZnO:Al thin films for Cu(In,Ga)Se solar cellsSalvador, Paulo Miguel Babo Cunhahttps://hdl.handle.net/1822/455042018-01-04T07:00:15ZTítulo: Deposition and characterization of CdS and ZnO:Al thin films for Cu(In,Ga)Se solar cells
Autor: Salvador, Paulo Miguel Babo Cunha
Resumo: The purpose of this thesis is to establish a baseline methodology for the optimized deposition of CdS thin films by chemical bath deposition (CBD) and ZnO:Al thin films by atomic layer deposition (ALD), for the development of Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) solar cells at INL facilities. A background research on several optimized parameters is presented and taken in consideration for both layers’ growth methodologies.
A detailed study on how the chemical bath deposition parameters affect the properties of the resulting CdS thin film is made. The reproducibility of CdS layers with thickness 50-70 nm is successfully shown. The studied parameters that were found to heavily affect the deposition were: i) the bath temperature; ii) the pH (indirectly, through the amount of ammonia); iii) the deposition time. A colour-thickness pattern established a naked-eye projection of the grown sample’s thickness, which allows for a quick and quantitative evaluation of the deposited films. Further XRD measurements are presented, as well as a statistical particle analysis with the software ImageJ applied to optical microscopy images of the samples. Based on these analysis, a modelling for the transition between ion-by-ion deposition and cluster-by-cluster deposition was presented. Further works compass the development of a working sample holder and the production of a detailed experimental protocol.
Concerning the ZnO:Al depositions, ALD, which is a potential industrial friendly technique, was used. The study focused on evaluating the growth rates of the system and on understanding the thickness effects on the transmittance and resistance of the resultant films. Two aluminium doping quantities were also studied and an increase of the bandgap energy is confirmed with increasing aluminium doping. The sample with the lowest sheet resistance of 80 Ω.□-1 of this work had a thickness of 735 nm, while presenting transmittance values averaging above 90 % for wavelengths values between 400-1200 nm. As part of understanding the thickness effects, scanning electron microscopy, atomic force microscopy and X-ray diffraction analysis were performed, revealing a correlation between the (110) planar orientation and the resistivity values.
Both CdS and ZnO:Al layers are then individually incorporated in (externally manufactured) CIGS solar cells and are characterized. The solar cell results showed that the CIGS layer does not survive the harsh growth conditions of the ALD processing, which demonstrates that more improvements in this technique are needed. Two solar cell devices with 60 nm and a 210 nm CdS layers present fill factors of 0.60 and 0.50 respectively, and efficiency values of 11.6 % and 9.8 %. These results demonstrate better electrical performances for the solar cell with the optimized 60 nm CdS layer, presenting an increase of 1.8 % efficiency with a 150 nm decrease in thickness, highlighting the importance of controlling the CdS deposition procedure.; Esta tese tem como objetivo estabelecer uma metodologia de base para o crescimento otimizado de filmes finos de CdS por deposição em banho químico (CBD) e de ZnO:Al por atomic layer deposition (ALD), com o intuito de otimizar células solares de Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) nas infraestruturas do INL. Uma pesquisa base na otimização de vários parâmetros base é apresentada, considerando os respetivos métodos de deposição e materiais.
É efetuado um estudo detalhado na influência dos parâmetros de deposição do banho químico nas propriedades dos filmes de CdS resultantes. A reprodutibilidade da deposição de uma camada de 50-70 nm de espessura é assegurada. Os parâmetros estudados que mais afetam a deposição são: i) a temperatura; ii) o pH (indiretamente, a partir da quantidade de amónia); iii) o tempo da deposição. É estabelecido um padrão entre a cor do filme e um alcance de espessuras, para permitir uma aproximação rápida e quantitativa da espessura da amostra a olho nu. São apresentadas medidas de difração de raios-X, juntamente com uma análise estatística de partículas através do software ImageJ a imagens das amostras, recolhidas por microscopia ótica. Também foram desenvolvidos um suporte de substratos para a deposição e um protocolo experimental detalhado para o processo de CBD.
Para os filmes de ZnO:Al foi utilizada a técnica de ALD, que é uma técnica potencialmente amiga da indústria. Este estudo foca-se em avaliar os rácios de crescimento do sistema e em compreender os efeitos da espessura na transparência e na resistência dos filmes resultantes. Foram utilizadas duas diferentes quantidades de dopagem com alumínio, e foi confirmado um aumento na energia de hiato com o aumento de percentagem de alumínio nos filmes. A amostra com resistividade de folha inferior deste trabalho, com 80 Ω.□-1, possuía 735 nm de espessura e apresentava uma média de valores de transmitância acima de 90 %, para comprimentos de onda compreendidos entre 400-1200 nm. Para compreender os efeitos da espessura nos filmes, utilizou-se microscopia eletrónica de varrimento, microscopia de força atómica e difração de raios-X, que revelaram uma correlação entre a orientação planar (110) e os valores de resistividade obtidos para cada amostra.
Ambos os filmes de CdS e de ZnO:Al são incorporados individualmente em células solares CIGS, externamente produzidas, e são caracterizadas. Os resultados das células solares demonstraram que a camada CIGS não sobrevive às condições severas do processo de ALD, o que revela que são necessários mais desenvolvimentos para esta técnica de deposição. Duas células solares com incorporação de CdS com espessuras de 60 nm e 210 nm apresentam valores de fill factor de 0.60 e 0.50, respetivamente, e eficiências de 11.6 % e 9.8 %. Estes resultados demonstram uma performance elétrica melhorada para a camada otimizada de CdS com 60 nm, apresentando um aumento de 1.8 % de eficiência com a redução de 150 nm de espessura, evidenciando a importância do controlo do processo de deposição de CdS.
Palavras-chave: Semicondutores, Células solares de filmes finos, CdS buffer, ZnO:Al óxido condutor e transparente, CIGS.
Descrição: Dissertação de mestrado em Física Aplicada
<b>Tipo</b>: masterThesisRelatório de atividade profissionalMartins, António Jorge da Costa Morgadohttps://hdl.handle.net/1822/454112017-04-21T15:31:26Z2017-04-21T15:31:26ZTítulo: Relatório de atividade profissional
Autor: Martins, António Jorge da Costa Morgado
Resumo: O presente relatório expõe a experiência profissional relevante do autor, nas vertentes científicas
e pedagógica, enquanto Professor de Física e Química, ao longo de cerca de 19 anos de serviço,
por forma a obter o grau de mestre em Ciências – Formação Contínua de Professores – Área de
Especialização em Física e Química.
No enquadramento científico aborda-se especificamente a temática sobre “Cinemática no
contexto do programa de Física do 11º ano de escolaridade – movimento em uma dimensão e
movimento em um plano”, com apresentação de exemplos exploratórios criados em ambiente
computacional, com o software Modellus. Pretende-se com esta temática atualizar e reforçar a
componente de formação científica, nomeadamente na área da física. No que concerne à prática
pedagógica, são apresentados e discutidos alguns dos projetos desenvolvidos no decurso da
atividade profissional, com o intuito de contribuir para a melhoria do processo
ensino/aprendizagem. De seguida, referem-se as ações de formação realizadas, como formador
e formando, discutindo-se a sua importância para a melhoria do desempenho nas vertentes
científica e pedagógica.
Por fim é feita uma breve reflexão sobre o percurso profissional do autor.; This report focuses on the relevant professional experience of the author in the scientific and
pedagogical aspects, whilst Physics and Chemistry teacher, through 19 years of service, in
order to obtain the degree of Master of Science-Continued Teacher Training - Physics and
Chemistry Specialization Field.
The scientific framework of this content addresses specifically in the context of “Kinematics
in physics program at the 11th grade level – movement in one dimension and movement in
a plan”, with exploratory examples created in computational environment, with the Modellus
software.
With this subject we intend to update and improve scientific knowledge, particularly in the
area of physics. Regarding the teaching practice, some of the projects developed in the
course of professional activity are presented and discussed, in order to contribute to the
improvement of the teaching / learning process. The training actions taken as a trainer but
as a trainee as well, are also referred to next. Their importance to the improvement of
performance in scientific and pedagogical aspects is addressed in this report.
Finally there is a brief reflection on the professional career of the author.
Descrição: Relatório de estágio de mestrado em Ciências - Formação Contínua de Professores (área de especialização em Física e Química)
<b>Tipo</b>: masterThesis2017-04-21T15:31:26Z