abstract: Nanoporous electrically conducting materials can be prepared with high specific pore volumes and surface areas which make them well-suited for a wide variety of technologies including separation, catalysis and owing to their conductivity, energy related applications like solar cells, batteries and capacitors. General synthetic methods for nanoporous conducting materials that exhibit fine property control as well as facility and efficiency in their implementation continue to be highly sought after. Here, general methods for the synthesis of nanoporous conducting materials and their characterization are presented. Antimony-doped tin oxide (ATO), a transparent conducting oxide (TCO), and nanoporous conducting carbon can be prepared through the step-wise synthesis of interpenetrating inorganic/organic networks using well-established sol-gel methodology. The one-pot method produces an inorganic gel first that encompasses a solution of organic precursors. The surface of the inorganic gel subsequently catalyzes the formation of an organic gel network that interpenetrates throughout the inorganic gel network. These mutually supporting gel networks strengthen one another and allow for the use of evaporative drying methods and heat treatments that would usually destroy the porosity of an unsupported gel network. The composite gel is then selectively treated to either remove the organic network to provide a porous inorganic network, as is the case for antimony-doped tin oxide, or the inorganic network can be removed to generate a porous carbon material. The method exhibits flexibility in that the pore structure of the final porous material can be modified through the variation of the synthetic conditions. Additionally, porous carbons of hierarchical pore size distributions can be prepared by using wet alumina gel as a template dispersion medium and as a template itself. Alumina gels exhibit thixotropy, which is the ability of a solid to be sheared to a liquid state and upon removal of the shear force, return to a solid gel state. Alumina gels were prepared and blended with monomer solutions and sacrificial template particles to produce wet gel composites. These composites could then be treated to remove the alumina and template particles to generate hierarchically porous carbon. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Chemistry 2012

No description available.

Water soluble conjugated polyelectrolytes (CPEs), which fall under the category of conductive polymers, possess numerous advantages over other conductive materials for the fabrication of electronic devices. Namely, the processing of water soluble conjugated polyelectrolytes into thin film electronic devices is much less costly as compared to the processing of inorganic materials. Moreover, the handling of conjugated polyelectrolytes can be performed in a much more environmentally friendly manner than in the processing of other conjugated polymers because conjugated polyelectrolytes are water soluble, whereas other polymers will only dissolve in toxic organic solvents. The processing of electronic devices containing inorganic constituents such as copper indium gallium selenide (CIGS), is much more expensive and poses much greater environmental risks because toxic metals may be released into landfills or waterways upon cell disposal.75 Because conjugated polyelectrolytes enjoy an assortment of advantages over other materials for the manufacturing of thin film electronic devices, there is globally vested interest in the researching of their properties. Despite the fact that CPEs can serve as efficient electron transport mediums, devices such as organic solar cells cannot realize their highest efficiencies unless the morphology of CPEs is precisely controlled. Charged surfactants can electrostatically and ionically interact with CPEs, and when introduced in specific concentrations, molar ratios, and temperature ranges, will aid in a ‘coil to rod’ transition of the CPE, wherein polymer chains undergo intramolecular transitions to obtain rigid-rod morphologies. The kinetics and thermodynamics of the ‘coil to rod’ transition are heavily dependent upon the type(s) of charged surfactant complexed with the CPE (i.e. on the surfactant architecture). By performing UV/Vis Spectroscopy and Fluorometry on dilute polymer/surfactant solutions, Polarized Optical Microscopy (POM) and Small Angle X-Ray Scattering (SAXS) on high concentration polymer/surfactant solutions, and Differential Scanning Calorimetry (DSC) and X-Ray Diffraction (XRD) on solid-state polymer/surfactant samples, the role of various surfactant architectures on the kinetics and thermodynamics of the ‘coil to rod’ transition was studied. The liquid crystalline physical properties and the extent of solid state crystallinity were also investigated. Through an analysis of the data obtained from these various techniques, it was found that the ‘coil to rod’ transition is progressively favored when the alkyl chain length of a single tailed surfactant is sequentially increased, and that as the concentration of double-tailed surfactant increases, the ‘coil to rod’ transition is negated.

Les électrodes transparentes (ET) sont présentes dans de nombreux dispositifs optoélectroniques. Par exemple, on peut les trouver au sein de cellules solaires, d'écrans tactiles, d'OLEDs ou encore de films chauffants transparents. Les propriétés physiques de ces électrodes influencent l'efficacité de ces dispositifs. Les ET sont fabriquées à partir de matériaux transparents conducteurs (TCM) dont le développement a débuté dans les années 1950 notamment avec les oxydes métalliques. Parmi ces oxydes transparents conducteurs (TCO), l'oxyde d'étain-indium (ITO) est celui le plus communément utilisé dans les cellules solaires et les écrans de télévision ou de smartphones. Cependant, de nouvelles exigences telles qu'une réduction des coûts, la flexibilité et la fabrication à faible température et/ou faible coût, ont orienté les recherches vers de nouveaux TCM, notamment à base de nanostructures. Parmi ces matériaux émergents, les réseaux de nanofils métalliques, en particulier de nanofils d'argent, présentent déjà des propriétés optiques et électriques approchant celles de l'ITO, c'est-à-dire une conductivité électrique et une transparence élevées. Ces deux propriétés sont cependant intrinsèquement liées à la densité de nanofils constituant le réseau, et lorsque la conductivité augmente, la transparence diminue. Des traitements post-dépôt existent et permettent d'augmenter la conductivité électrique des ET sans changer la densité du réseau. Plusieurs de ces méthodes d'optimisation ont été étudiées pendant ce travail de thèse, en particulier le recuit thermique, analysé minutieusement afin de comprendre les différents mécanismes de réduction de la conductivité électrique induits par la température. L'examen des effets thermiques a soulevé la question de l'instabilité des nanofils en température, qui est aussi abordée et discutée dans ce document. Le paramètre clé de la densité de nanofils optimale menant au meilleur compromis entre transparence et conductivité a été recherché pour des nanofils de différentes dimensions. La taille des nanofils a en effet un fort impact sur les propriétés du réseau. Ainsi, les propriétés électriques, dans le cadre de la théorie de la percolation, les propriétés optiques comme la transmittance et le facteur de haze, et même l'instabilité thermique ont été reliées aux dimensions des nanofils ainsi qu'à la densité du réseau en utilisant des modèles physiques simples. En ce qui concerne les applications de ces ET émergentes, des études ont été menées sur l'application des réseaux de nanofils d'argent comme film chauffant transparent, et les résultats sont rapportés à la fin de ce document. Les limitations soulevées par cette application, comme les limites de stabilités électrique et thermique ont aussi été abordées. Pour finir, des études préliminaires menées sur de nouvelles applications comme des antennes transparentes ou le blindage électromagnétique transparent utilisant les nanofils d'argent sont présentées. / Transparent electrodes (TE) are used in a variety of optoelectrical devices. Among them, solar cells, flat panel displays, touch screens, OLEDs and transparent heaters can be cited. The physical properties of the TE influence the efficiency of the device as a whole. Such electrodes are fabricated from transparent conducting materials (TCM) that have been undergoing development since the 1950s, initially from metallic oxides. Among these transparent conducting oxides (TCO), indium tin oxide (ITO) is the most commonly used in solar cells, and television or smartphone screens. However requirements such as cost reduction, flexibility and low cost/temperature fabrication techniques have oriented the researches toward emerging TCM, mostly using nanostructures. Among them, metallic nanowire networks, and in particular silver nanowires (AgNW), already present optical and electrical properties approaching those of ITO, i.e. a high electrical conductivity and a high transparency. These two properties are intrinsically linked to the network density, therefore a tradeoff has to be considered knowing that when conductivity increases, transparency decreases. Some post-deposition treatments do exist, allowing an increase of the TE electrical conductivity without changing the network density. Several of these optimization methods have been thoroughly studied during this thesis work, especially thermal annealing. This method have been investigated in details to understand the different thermally-induced mechanisms of conductivity improvement. In addition, the investigation of thermal effects raised the question of thermal instability of the nanowires, which is also addressed and discussed in this document. The key issue of density optimization, allowing the best tradeoff between transparency and conductivity, has been investigated for nanowires with different dimensions. Nanowire size has a strong impact on the network properties. Thus, electrical properties, within the framework of percolation theory, optical properties such as transmittance or haziness, and even thermal instability have been linked to the nanowires' dimensions and the network density by using simple physical models. Regarding the application of these emerging TE, studies were conducted on the application of AgNWs as transparent heaters, and the results are reported at the end of the document. Limitations arising from this application, like thermal and electrical stabilities, have also been addressed. To finish, preliminary studies conducted on new applications such as transparent antennas and transparent electromagnetic shielding using AgNW are presented.

Parmi les différentes cellules photovoltaïques existantes, les technologies à base de CIGS représentent aujourd'hui une alternative sérieuse à celles basées sur le silicium. De même, les technologies organiques émergent en vue d'applications sur le marché de la faible puissance. Afin d'être parfaitement concurrentielle, ces cellules doivent s'affranchir au maximum de la présence d'indium (surcoût) au sein de leurs structures (TCO, couche absorbante), ou de matériaux toxiques comme le CdS utilisé en tant que couche tampon. Les chalcogénures de zinc tels que le Zn1-xMgxO ou le ZnOzS1-z peuvent être employées à la place du CdS grâce à leurs propriétés semi-conductrices. En dopant le Zn1-xMgxO par un ou plusieurs atomes métalliques trivalents, on peut également créer des électrodes transparentes (TCO) pouvant substituer les électrodes traditionnelles à base d'indium (ITO). Les couches minces synthétisées au cours de ce travail ont été réalisées par spray-CVD, une technique de dépôt hybride et innovante utilisant un mode de chauffage radiatif. Les améliorations apportées au réacteur expérimental et les avantages qu'elles dégagent en font une alternative crédible aux techniques traditionnelles. Les couches de Zn1-xMgxO ainsi synthétisées exhibent de très bonnes propriétés, dont une énergie de gap facilement ajustable, une forte mobilité électronique et une très bonne transparence. De même, des couches de ZnS ont été réalisées par l'usage d'un précurseur original, permettant de s'affranchir du ZnCl2 (corrosif) couramment utilisé en spray pyrolyse. Les différents TCO étudiés ont montré de faibles résistivités (10-3 Ω.cm) et ont pu être testés dans des cellules solaires organiques en structures inverses. / In the field of photovoltaic devices, organic and CIGS-based solar cells are both promising way to compete with silicon-based technologies for low and high power generation. In order to provide safe and cost-effective thin films for these devices, zinc chalcogenides layers represent interesting opportunities to replace indium (expensive) and cadmium-based (toxic) layers. Semiconductors like Zn1-xMgxO and ZnS had been synthesized using an infrared assisted spray-CVD apparatus. The interaction between an aerosol and the infrared radiation is the main innovation in this process and sparked off many advantages. With this simple, vacuum-free and chemical soft technique, Zn1-xMgxO thin films exhibit excellent optical transparency, high electrical conductivity and an easily band gap adjustment. The obtained properties, compared with those reported by other traditional techniques, classed infrared assisted spray-CVD as an interesting and promising alternative technique in order to deposit thin films for such applications. ZnS thin films had been prepared with an original chemical precursor which enable to work without ZnCl2, the traditional corrosive chemical precursor in spray pyrolysis. In addition to that, some transparent conductive oxides (TCO) had been investigated by doping ZnO and Zn1-xMgxO layers with aluminum and/or gallium. With a very high optical transparency and a resistivity as low as 10-3 Ω.cm, ZnO:Al exhibit workable properties as transparent electrodes. Indeed, inverted organic solar cells had been realized with those TCO and proved their well-functioning into such devices.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας εναλλακτικής μεθόδου μη καταστροφικού ελέγχου (ΜΚΕ) για αγώγιμα υλικά, που συνδυάζει την ηλεκτρομαγνητική διέγερση - επαγωγική θέρμανση του υλικού και επιθεώρηση με μεταβατική υπέρυθρη θερμογραφία. Με ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο επάγονται δινορρεύματα εντός του εξεταζόμενου δοκιμίου. Η θερμότητα που παράγεται από τα δινορρεύματα, δημιουργεί θερμοκρασιακές διαφορές οι οποίες τείνουν να εξομαλυνθούν μέσω της θερμικής αγωγής. Κάποια ατέλεια στη δομή του υλικού, όπως είναι μια ρωγμή, θα επηρεάσει άμεσα ή έμμεσα τη ροή της θερμότητας και κατ’ επέκταση τη θερμοκρασιακή κατανομή στην επιφάνεια του υλικού. Χρησιμοποιώντας την υπέρυθρη θερμογραφία μπορούμε να απεικονίσουμε σε δύο διαστάσεις τη θερμοκρασιακή κατανομή της επιφάνειας του επιθεωρούμενου δοκιμίου και να εντοπίσουμε την ατέλεια αυτή. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση της αποτελεσματικότητας και της αξιοπιστίας της ηλεκτρομαγνητοθερμικής μεθόδου ως μεθόδου ΜΚΕ σε αγώγιμα υλικά. Αφού πραγματοποιηθεί αναλυτική περιγραφή του μοντέλου με το οποίο προσεγγίζονται τα ηλεκτρομαγνητικά - θερμικά φαινόμενα της ηλεκτρομαγνητικής διέγερσης - επαγωγικής θέρμανσης αγώγιμων υλικών, αναπτύσσεται υπολογιστικός κώδικας για την υλοποίηση του μοντέλου. Με τη χρήση του υπολογιστικού προγράμματος διερευνάται η σημασία και η σπουδαιότητα ενός μεγάλου πλήθους παραμέτρων που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της ηλεκτρομαγνητοθερμικής μεθόδου με απώτερο στόχο τη βελτιστοποίηση της. Στη συνέχεια ακολουθεί πειραματική επαλήθευση των αριθμητικών αποτελεσμάτων, όπου και αποδεικνύεται η αξιοπιστία των υπολογιστικών μοντέλων που χρησιμοποιήσαμε κατά την αριθμητική διερεύνηση της μεθόδου. Κατ’ αυτόν τον τρόπο επαληθεύεται η αποτελεσματικότητα της μεθόδου στον ΜΚΕ έλεγχο αγώγιμων υλικών. Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι η ηλεκτρομαγνητοθερμική μέθοδος αποτελεί μια αξιόπιστη μέθοδο για τον ΜΚΕ αγώγιμων υλικών. Απομένει πλέον να διερευνηθούν οι δυνατότητες της μεθόδου στο έπακρο, ώστε να αναδειχθεί το εύρος των εφαρμογών αυτής και να χρησιμοποιηθεί ενδεχομένως σε περιπτώσεις όπου μέχρι σήμερα κυριαρχούν άλλες διαγνωστικές μέθοδοι. / The subject matter of the present dissertation is the development of an alternative method for non-destructive inspection of conducting materials, which combines electromagnetic excitation – thermal conduction and inspection with transient infrared thermography. A time-varying magnetic field is used to induce eddy currents inside the conducting material under inspection. The Ohmic power generated in the material by the eddy currents creates temperature gradients which tend to be ironed out through thermal conduction. A defect in the material structure, such as a cracking, will affect the heat flow either directly or indirectly and hence the temperature distribution at the surface of the material. By employing infrared thermography, it is then possible to visualize in two-dimensional the temperature distribution over the excited surface of the tested specimen and detect the defect. The present dissertation focuses on computational and experimental investigation of the effectiveness and reliability of electromagnetic-thermal method as a method for non destructive inspection of conductive materials. After have been made a detailed description of the model which describes the electromagnetic-thermal phenomena of electromagnetic excitation - induction heating in conductive materials, it was developed a computer program based on the above model. Using the computer program we investigated the significance and the importance of a large number of parameters affecting the effectiveness of electromagnetic-thermal method, with a view to optimize the method. The experimental verification of numerical results, indicate the reliability of computational model used in the numerical investigation of the method and verifies the method’s effectiveness for non destructive inspection of conducting materials. The general conclusion is that the electromagnetic - thermal method is a reliable method for non destructive inspection of conductive materials. It remains the full potentials of the method to be investigated, in order to extend the range of applications and use the method in cases where today dominate other diagnostic methods.

Die Arbeit befasst sich mit der Ausscheidungshärtung und deren Einfluss auf mechanische und elektrische Eigenschaften von Kupfer-Titan-Legierungen mit Legierungsgehalten unter 1 Ma.-% Titan. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Optimierung der erzielbaren elektrischen Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit. Die zentralen Inhalte der Untersuchungen waren: • Der Einfluss des Titangehalts, der Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung auf die aus der Ausscheidungshärtung resultierenden mechanischen und elektrischen Eigenschaftsänderungen wurde anhand von Legierungen mit 0,2 Ma.-% bis 1 Ma.-% Titan untersucht. • Der Einfluss einer erhöhten Versetzungsdichte auf die Ausscheidungshärtung und die daraus resultierenden Eigenschaften wurde anhand von unterschiedlich stark kaltumgeformten und ausscheidungsgehärteten Proben ermittelt. • Die Untersuchung des Optimierungspotentials der elektrischen Leitfähigkeit durch den Einsatz von geringen Mengen von Aluminium, Nickel, Silizium, Zink und Zinn. • Die Bestimmung des Einflusses einer Kombination von vorgelagerter Kaltumformung und Einsatz eines dritten Legierungselements auf die aus der Ausscheidungshärtung resultierenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals nach dem derzeit bekannten Stand der Technik und der Literatur umfassend die Ausscheidungshärtung von Kupfer-Titan-Legierungen mit weniger als 1 Ma.-% Titan untersucht. Bisherige Untersuchungen beschäftigten sich mit dem Bereich von 1,5 Ma.-% bis 6 Ma.-% Titan und in der industriellen Anwendung kommt bisher nur eine Legierung mit 3 Ma.-% Titan zum Einsatz. Aufgrund der guten, durch Ausscheidungshärtung erreichbaren, mechanischen Eigenschaften werden Kupfer-Titan-Legierungen in binärer Form oder als Mehrstofflegierungen mit Titan als Hauptlegierungselement als Substitutionswerkstoffe für Kupfer-Beryllium-Legierungen angesehen. So kommen diese vermehrt bei Steckverbindern im Automobilbau oder als Werkstoff für den Batteriekontakt oder die Kamera in Smartphones zum Einsatz. Jedoch weisen Kupfer-Titan-Legierungen eine deutlich geringere elektrischen Leitfähigkeit als Kupfer-Beryllium-Legierungen auf. Der Ansatz für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen ist, dass durch den Einsatz geringerer Titan-Gehalte in Kombination mit geeigneter Wärmebehandlung und Optimierung durch vorgelagerte Kaltumformung und den Einsatz weiterer Legierungselemente eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit bei Erhalt guter mechanischer Eigenschaften erreichbar wird. Die experimentellen Untersuchungen von Kupfer-Titan-Legierungen mit bis zu 1 Ma.-% Titan und deren Wärmebehandlungen zur Erzielung verschiedener Auslagerungszustände zeigen, dass vor allem Legierungen mit 0,8 Ma.-% bis 1 Ma.-% Titan ein großes Potential hinsichtlich einer Ausscheidungshärtung aufweisen. Bei diesen lassen sich durch die Ausscheidungshärtung gute mechanische Eigenschaften und eine gute elektrische Leitfähigkeit einstellen. Eine deutliche Steigerung dieser Werkstoffkennwerte ist vor allem durch eine vorgelagerte Kaltumformung zu erzielen. Die Verwendung geringer Anteile an Silizium und Zink führten zu einer Beschleunigung der Ausscheidungshärtung bei einem ähnlichen Eigenschaftsprofil. Durch den Einsatz einer vorgelagerten Kaltumformung bei den Legierungen mit geringen Zusätzen von dritten Elementen zeigte sich noch eine erheblich schnellere Aushärtung bei Erzielung guter Ergebnisse für die Härte, Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Vor allem die schnelle Aushärtung liefert eine gute Grundlage für eine wirtschaftliche und energieeffiziente Herstellung dieser Legierungen in einer industriellen Anwendung.