Silicon nitride on steel sliding contacts may provide advantageous tribological properties over traditional self-mated pairs, however the friction and wear behavior at high sliding speeds (>1 m/s) is not well understood. Previous studies at low sliding speeds (< 1 m/s) have found that the wear mechanisms change as a function of the operating parameters, e.g. atmosphere, sliding speed, load, and temperature, due to the formation of transition metal oxides such as Fe2O3 and Fe3O4. This study detected transient effects of the dry silicon nitride on steel contact over a range of sliding speeds to understand their relation to tribochemical reactions and the resulting tribological behavior. Two sets of dry silicon nitride on steel experiments were conducted at 1.45 GPa maximum Hertzian pressure. The first set were low sliding speed reciprocating experiments, conducted at an average of 0.06 m/s, conducted at variable operating temperature, ranging from 23 °C to 1000 °C. In the low sliding speed experiments, transitions of the wear mechanism from adhesive wear, to abrasive wear, then to oxidative wear was observed when the operating temperature increased. The second set were high sliding speed experiments, conducted at variable sliding speeds, ranging from 1 m/s to 16 m/s. In the high sliding speed experiments, a transition from adhesive wear to oxidative wear was observed when the sliding speed surpassed 4.5 m/s. The high sliding speed experiments were accompanied by in-situ instrumentation which detected the presence of a tribofilm which correlated to a reduction in friction, and its formation was linked to tribochemical reactions induced by high flash temperatures. Both sets of experiments had a maximum estimated contact temperature of 1000 °C where oxidative wear was prevalent. Although, the low sliding speed experiments underwent severe bulk oxidation and thermal softening effects, while the high sliding speed experiments experienced localized flash heating events with temperatures sufficient to form a semi-coherent tribofilm that was lubricious and significantly improved wear resistance. Therefore, the effects of transition metal oxides in sliding contacts are determined to be significantly influenced on their mechanisms of formation and interrelated to the operating parameters as found for dry sliding silicon nitride on steel contacts.

Les processus photocatalytiques à la surface d’oxydes métalliques semi-conducteurs font l’objet d’intensesrecherches au niveau mondial car ils constituent des alternatives efficaces, respectueuses de l’environnement etpeu coûteuses aux méthodes conventionnelles dans les domaines de la purification de l’eau et de l’air, et de laproduction « verte » d’hydrogène. Cependant, certaines limitations pour atteindre des efficacitésphotocatalytiques élevées ont été mises en évidence avec les matériaux semiconducteurs classiques du fait de larecombinaison rapide des porteurs de charge générés par illumination. Le développement de photocatalyseurs àbase d’héterostuctures obtenues par dépôt de métaux à la surface de matériaux semiconducteurs ou parassociation de deux semiconducteurs possédant des bandes d’énergie bien positionnées devrait permettre delimiter ces phénomènes de recombinaison via un transfert de charge vectoriel. Dans ce contexte, trois typesd’hétérostructures telles que des nanomatériaux à base d’hétérojonction semiconducteur n/semiconducteur n(SnO2/ZnO), metal/semiconducteur n (RuO2/TiO2 and RuO2/ZnO) et semiconducteur p/semiconducteur n(NiO/TiO2) ont été synthétisées avec succès par différentes voies liquides. Leur composition, leur texture, leurstructure et leur morphologie ont été caractérisées par spectroscopies FTIR et Raman, par diffraction des rayonsX, microscopie électronique en transmission (MET) et porosimétrie de sorption d’azote. Par ailleurs, unecombinaison judicieuse des données issues de mesures effectuées par spectroscopie UV-visible en réflexiondiffuse (DRS) et par spectroscopies de photoélectrons X (XPS) et UV (UPS) a permis de déterminer lediagramme d’énergie des bandes pour chaque système étudié. Les catalyseurs ainsi obtenus ont conduit à desefficacités photocatalytiques plus élevées qu’avec le dioxyde de titane P25 pour la dégradation de colorantsorganiques (bleu de méthylène, l’orangé de méthyle) et la production d’hydrogène. En particulier, lesnanocomposites RuO2/TiO2 et NiO/TiO2 contenant une quantité optimale de RuO2 (5 % en masse) et de NiO(1% en masse), respectivement, ont conduit aux efficacités photocatalytiques les plus importantes pour laproduction d’hydrogène. Ces excellentes performances photocatalytiques ont été interprétées en termesd’alignement adéquat des bandes d’énergies des matériaux associé à des propriétés texturales et structuralesfavorables. Ce concept de photocatalyseurs à base d’hétérojonctions semiconductrices d’activité élevée devrait àl’avenir trouver des débouchés industriels dans les domaines de l’élimination de l’environnement de composésorganiques indésirables et de la production « verte » d’hydrogène. / Photocatalytic processes over semiconducting oxide surfaces have attracted worldwide attention aspotentially efficient, environmentally friendly and low cost methods for water/air purification as well as forrenewable hydrogen production. However, some limitations to achieve high photocatalytic efficiencies havebeen found due to the fast recombination of the charge carriers. Development of heterostucture photocatalystsby depositing metals on the surface of semiconductors or by coupling two semiconductors with suitable bandedge position can reduce recombination phenomena by vectorial transfer of charge carriers. To draw newprospects in this domain, three different kinds of heterostructures such as n-type/n-type semiconductor(SnO2/ZnO), metal/n-type semiconductor (RuO2/TiO2 and RuO2/ZnO) and p-type/n-type semiconductor(NiO/TiO2) heterojunction nanomaterials were successfully prepared by solution process. Their composition,texture, structure and morphology were thoroughly characterized by FTIR, X-ray diffraction (XRD), Ramanspectroscopy, transmission electron microscopy (TEM) and N2 sorption measurements. On the other hand, asuitable combination of UV–visible diffuse reflectance spectroscopy (DRS), X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) and ultraviolet photoemission spectroscopy (UPS) data provided the energy band diagram for eachsystem. The as-prepared heterojunction photocatalysts showed higher photocatalytic efficiency than P25 TiO2for the degradation of organic dyes (i.e. methylene blue and methyl orange) and the production of hydrogen.Particularly, heterostructure RuO2/TiO2 and NiO/TiO2 nanocomposites with optimum loading of RuO2 (5 wt %)and NiO (1 wt %), respectively, yielded the highest photocatalytic activities for the production of hydrogen.These enhanced performances were rationalized in terms of suitable band alignment as evidenced by XPS/UPSmeasurements along with their good textural and structural properties. This concept of semiconductingheterojunction nanocatalysts with high photocatlytic activity should find industrial application in the future toremove undesirable organics from the environment and to produce renewable hydrogen.

Ces dernières années, les oxydes de métaux de transition ont suscité de grands intérêts du point de vue fondamental et technologique. A cet égard, nous nous concentrons sur deux types d'oxydes : le première, le Perovskite double Pb2FeMoO6, avec un potentiel d'application sur des appareils magnétorésistances et spintroniques ; le deuxième, la zircone ZrO2 avec de excellentes propriétés mécaniques et diélectriques pour être utilisée dans les domaines de matériaux structuraux et fonctionnels. Dans la présente étude, nous utilisons la méthode ab-initio (first-principles calculation) pour étudier les détails des orbites décomposés des structures électroniques et des propriétés magnétiques du Pb2FeMoO6 massif de structure parfaite, massif avec des défauts et en structure de plaque. En même temps, les détails des orbites décomposés des structures électroniques, les propriétés mécaniques, dynamiques et diélectriques de six phases de la ZrO2 (cubique, tétragonale, monoclinique, orthorhombique I (Pbca), orthorhombique II (Pnma) et (Pca21)) ont également été étudiés. D'abord nous allons faire les calculs ab-initio sur les propriétés structurales, électroniques et magnétiques de double pérovskite Pb2FeMoO6 massif avec structure parfaite, massif avec défauts et en structure de plaque. La densité des états orbitaux décomposés montre le champ cristallin octaédrique des six atomes d'oxygène autour de métal de transition (des Fe ou des Mo) et divise les cinq états dégénérés des atomes libres de Fe ou Mo dans un états triplement dégénéré t2g (dxy, dyz et dzx) avec une énergie plus faible et dans un états doublement dégénéré eg (dz2 et dx2-y2) avec une énergie plus élevée. La nature semi-métalliques et les propriétés de transport complètes (100%) de spin de polarisation de Pb2FeMoO6 massif et en structures de plaque reflètent un grand potentiel d’application dans les dispositifs magnéto-résistifs et spintroniques. Le caractère semi-métallique est maintenu pour le composé Pb2FeMoO6 désordonné contenant d’antisites Fe(Mo), de lacunes de VFe, VO ou VPb, alors qu'il disparaît quand les antisites Mo(Fe), les échanges entre Fe-Mo ou les lacunes de VMo sont présents même la concentration de défauts est réduite jusqu'à C = 6,25%. Ainsi, les antisites Mo(Fe), les échanges entre Fe-Mo ou les lacunes de VMo doivent être évités afin de préserver le caractère semi-métallique du composé Pb2FeMoO6 et donc être utilisables dans des dispositifs magnéto-résistifs et spintroniques.Ensuite, basé sur la rigidité élastique constantes individuelle calculée Cij de six phases de ZrO2, les propriétés élastiques et mécaniques des agrégats polycristallins ont été prédits. Nous avons donc examiné le caractère isolant de la phase cubique/tétragonale de ZrO2 sous forme film avec différentes combinaisons et différentes épaisseurs possibles dans des plans avec des faibles indices de Miller [(001), (110) et (111)] (pour la phase cubique) et [(001), (100), (110), (101) et (111)] pour la phase tétragonale. Il se trouve que pour les différentes combinaisons et épaisseurs possibles dans ces trois / cinq plans avec faibles indices de Miller, seulement ZrO2-terminé sous forme d’un film orienté dans le plan (110)/(100) et O-terminé sous forme d’un film orienté (111)/(101) des phases cubique/tétragonale de ZrO2 maintiennent le caractère isolant même les épaisseurs d’empilement est réduit jusqu'à deux et trois couches atomiques. Puisque cubique et tétragonale ZrO2 ont grande anisotropie élastique, comme un exemple, le stress et l'énergie de déformation densité ont été calculées pour tous {hkl} -oriented grains d'un film ZrO2 cubique polycristallin. / Transition-metal oxides have attracted exceptional research interest in recent years from both fundamental and technological perspectives. In this respect, we focus on two types of oxides, first, the double perovskite, Pb2FeMoO6 for a potential magnetoresistive and spintronics device application, second, zirconia ZrO2 with great mechanical and dielectric properties can be widely used in both structural and functional material fields. In this thesis we use first-principles calculations (ab-initio) to study systematically the detailed orbital-decomposed electronic structures and magnetic properties of Pb2FeMoO6 in the perfected bulk, defected bulk and slab structures. The detailed orbital-decomposed electronic structures, the mechanical, dynamical and dielectric properties of the ZrO2 in six phases (cubic, tetragonal, monoclinic, orthoI (Pbca), orthoII (Pnma) and (Pca21)) have also been studied.Firstly, considering the comparable ionic radius of Pb2+ (1.49Å) with that of Sr2+ (1.44Å), we propose for the first time to substitute Sr2+ ion with Pb2+ ion in Sr2FeMoO6 and a detailed study has been performed on the Pb2FeMoO6 in the perfected bulk, defected bulk and slab structures. The half-metallic nature and a complete (100%) spin-polarized transport properties reflect the bulk and especially slab Pb2FeMoO6 a potential application in magnetoresistive and spintronics devices; The detailed orbital-decomposed density of states show the octahedral crystal-field of the six oxygen atoms around transition-metal Fe or Mo atoms splits the five-fold degenerate states of the free Fe or Mo atoms into triply degenerate t2g (dxy, dyz and dzx) states with lower energy and doubly degenerate eg (dz2 and dx2-y2) states with higher energy, which cannot be observed in previous partial density of states ( ); The Fe3+ and Mo5+ ions are in the (3d5, s=5/2) and (4d1, s=1/2) states with positive and negative magnetic moments respectively and thus antiferromagnetic coupling via oxygen between them; The half-metallic character is maintained for the disordered Pb2FeMoO6 compounds containing FeMo antisite, VFe, VO, or VPb vacancy, while it vanishes when MoFe antisite, Fe-Mo interchange or VMo vacancy are presented even the defect concentration reduce down to C=6.25%. So the MoFe antisite, Fe-Mo interchange or VMo vacancy defects have to be avoided in order to preserve the half-metallic character of the Pb2FeMoO6 compounds and thus usable in magnetoresistive and spintronics devices.Secondly, based on the calculated individual elastic stiffness constants Cij of six ZrO2 phases, the elastic and mechanical properties of the polycrystalline aggregates have been predicted. We further exam the insulating characters of the cubic/tetragonal ZrO2 slabs with various possible terminations and thicknesses within three [(001), (110) and (111)]/five [(001), (100), (110), (101) and (111)] lower index Miller planes. It is found for the first time that among various possible terminations and thicknesses within these three/five lower index Miller planes, only ZrO2-terminated slabs of the (110)/(100) Miller plane and O-terminated slabs of the (111)/(101) Miller plane of cubic/tetragonal ZrO2 maintain the insulating character and thus usable as a gate dielectric oxide in IC industry even the slab thicknesses reduce down to 2 and 3 atomic layers, respectively; Since cubic and tetragonal ZrO2 have larger elastic anisotropy, both stress and strain energy density have been calculated for all {hkl}-oriented grains of a cubic ZrO2 polycrystalline film as one example.

Today there is a great deal of interest in the development of gas sensors for various applications like monitoring of toxic gases, detection in oil reservoirs, mines, homes etc. Solid-state gas sensors have many advantages over the conventional analytical methods and hence are widely used. Amongst them, semiconducting metal-oxides based sensors are popular due to many advantages like low cost, small size, high sensitivity and long life. The present thesis reports a detailed work of TiO2 (Titania) thin film fabrication based on sol-gel method, study of their crystallization behavior and surface morphology, and characterizing them for alcohol sensing properties Sol-gel method is a wet chemical technique with many advantages over the conventional methods and offers a high degree of versatility to modify the film properties. Titania thin films were made with titanium isopropoxide as the precursor and ethanol and isopropanol as the solvents. Also effect of surfactants(PEG and CTAB) on the sol properties and film properties have experimentally examined. A in-house gas sensor testing setup has been designed and fabricated to characterize the sensors. Sensors with three different electrode configurations and also two different electrode material have been tested. The electrode geometry and material play a significant role on the sensing behavior and results for the same have been discussed.

Rechargeable Li-ion batteries and supercapacitors are the most promising electrochemical energy storage devices in terms of energy density and power density, respectively. Recently, nanostructured materials have gained enormous interest in the field of energy technology as they have special properties compared to the bulk. Commercially available Li-ion batteries, which are the most advanced among the rechargeable batteries, utilize microcrystalline transition metal oxides as cathode materials which act as lithium insertion hosts. To explore better electrochemical performance the use of nanomaterials instead of conventional materials would be an excellent alternative. High Li-ion insertion at high discharge rates causes slow Li+ transport which in turn results in concentration polarization of lithium ions within the electrode material, causing a drop in cell voltage. This eventually, leads in termination of the discharge process before realizing the maximum capacity of the electrode material being used. This problem can be addressed by decreasing the average particle size which leads to an increase in surface area of the electrode material. Nanostructured materials, because of their high surface area and large surface to volume ratio, to some extent can overcome the problem of slow diffusion of ions. Supercapacitors are electrical energy storage devices which can deliver large energy in a short time. A supercapacitor can be used as an auxiliary energy device along with a primary source such as a battery or a fuel cell to achieve power enhancement in short pulse applications. Active materials for supercapacitors are classified into three categories: (i) carbonaceous materials, (ii) conducting polymers and (iii) metal oxides. Among the materials studied over the years, metal oxides have been considered as attractive electrode materials for supercapacitors due to the following merits: variable oxidation state, good chemical and electrochemical stability, ease of preparation and handling. The performance of supercapacitors can be enhanced by moving from bulk to nanostructured materials. The theme of the thesis is to explore novel routes to synthesize nanostructured materials for Li-ion batteries and supercapacitors, and to investigate their physical and electrochemical characteristics. Chapter I is an introduction of various types of electrochemical energy systems such as battery, fuel cell and supercapacitor. A brief review is made on electrode materials for Li-ion batteries and supercapacitors, and nanostructured materials. Chapter II deals with the study of nanostrip orthorhombic V2O5 synthesized by a two-step procedure, with the formation of a vanadyl ethylene glycolate precursor and post-calcination treatment. The precursor and the final product are characterized for phase and composition by powder X-ray diffraction (XRD), infrared (IR) spectroscopy, thermal analysis (TGA) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The morphological changes are investigated using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). It is found that the individual strips have the following dimensions, length: 1.3 μm, width: 332 nm and thickness: 45 nm. The electrochemical lithium intercalation and de-intercalation of nanostrip V2O5 is investigated by cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge cycling, galvanostatic intermittent titration technique (GITT) and electrochemical impedance spectroscopy. Chapter III describes the synthesis of nanoparticels of LiMn2O4 by microwave assisted hydrothermal method. The phase and purity of spinel LiMn2O4 are confirmed by powder XRD analysis. The morphological studies are carried out using FE-SEM and HRTEM. The electrochemical performance of spinel LiMn2O4 is studied by using CV and galvanostatic charge-discharge cycling. The initial discharge capacity is found to be about 89 mAh g-1 at a current density of 21 mA g-1 with reasonably good cyclability. Chapter IV deals with synthesis of MoO2 nanoparticles through ethylene glycol medium and its electrochemical characterization. XRD data confirms the formation MoO2 on monoclinic phase, space group P21/c. Polygon shape of MoO2 is observed in HRTEM. MoO2 facilitates reversible insertion-extraction of Li+ ions between 0.25 to 3.0 V vs. Li/Li+. CV and galvanostatic charge-discharge cycling are conducted on this anode material to complement the electrochemical data. Chapter V reports the synthesis of nanostructured MnO2 at ambient conditions by reduction of potassium permanganate with aniline. Physical characterization is carried out to identify the phase and morphology. The as prepared MnO2 is amorphous and it contains particles of 5 to 10 nm in diameter. On annealing at a temperature > 400 °C, the amorphous MnO2 attains crystalline α-phase with a concomitant change in morphology. A gradual conversion of nanoparticles to nanorods (length 500-750 nm and diameter 50-100 nm) is evident from SEM and TEM studies. High resolution TEM images suggest that nanoparticles and nanorods grow in different crystallographic planes. The electrochemical lithium intercalation and de-intercalation of nanorods was performed by (CV) and galvanostatic charge-discharge cycling. The initial discharge capacity of nanorod α-MnO2 is found to be about 197 mAh g-1 at a current density of 13.0 mA g-1. Capacitance behavior of amorphous MnO2 is studied by CV and galvanostatic charge-discharge cycling in a potential range from -0.2 to 1.0 V vs. SCE in 0.1 M sodium sulphate solution. The effect of annealing on specific capacitance is also investigated. Specific capacitance of about 250 F g-1 is obtained for as prepared MnO2 at a current density of 0.5 mA cm-2 (0.8 A g-1). Chapter VI pertains to electrochemical supercapacitor studies on nanostructured MnO2 synthesized by polyol method. Although X-ray diffraction (XRD) pattern of the as synthesized nano-MnO2 shows poor crystallinity, it is found that it is locally arranged in δ-MnO2 type layered structure composed of edge-shared network of MnO6 octahedra by Mn K-edge X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) measurement. Annealed MnO2 shows high crystalline tunneled based α-MnO2 as confirmed by powder XRD pattern and XANES. As synthesized MnO2 exhibits good cyclability as an electrode material for supercapacitor. In Chapter VII, capacitance behavior of nanostrip V2O5, TiO2 coated V2O5 and nanocomposites of PEDOT/V2O5 are presented. Structural and morphological studies are carried out by powder XRD, IR, TGA, SEM and TEM. Cyclic voltammogram of pristine V2O5 shows the regular rectangular shape indicating the ideal capacitance behavior in aqueous 0.1 M K2SO4. The SC value of pristine V2O5 is found to be about 100 F g-1. Nanostrip V2O5 is modified with TiO2 using titanium isobutoxide to enhance the capacitance retention upon cycling. Only 48 % of the initial capacitance remains in the case of pristine V2O5 after 100 cycles, while TiO2 coated V2O5 exhibits better cyclability with capacitance of 70 % of the initial capacitance. The capacitance retention is attributed to the presence of TiO2 on the surface of V2O5 which prevents the vanadium dissolution into the electrolyte. Microwave assisted hydrothermally synthesized PEDOT/V2O5 nanocomposites are utilized as capacitor materials. The initial SC of PEDOT/V2O5 (237 F g-1) is higher than that of either pristine V2O5 or PEDOT. The enhanced electrochemical performance is attributed to synergic effect and an enhanced bi-dimensionality. Details of the above studies are described in the thesis with a conclusion at the end of each Chapter.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Synthese und Charakterisierung neuer chromophorer Catecholderivate mit ausgeprägten push-pull-pi-Systemen. Die solvatochromen Eigenschaften dieser Verbindungen werden in Abhängigkeit der Wasserstoffbrückenbindungsdonor- und -akzeptorfähigkeit sowie Lösungsmitteldipolarität diskutiert. Mit entsprechenden methoxy- und dimethoxyfunktionalisierten Catecholderivaten ist es möglich, vergleichende Struktur-Eigenschaftsbeziehungen aufzustellen. Durch Untersuchungen zu den Wechselwirkungen der chromophoren Catechole mit Schwermetallionen kann gezeigt werden, dass die synthetisierten Verbindungen als Sensoren eingesetzt werden können. In der vorliegenden Arbeit wird des Weiteren die Adsorption der Catecholderivate an Metalloxide beschrieben. Mit Farbstoffen sensibilisierte Oberflächen stellen derzeit ein interessantes Forschunggebiet dar. Ferner wird über die Umsetzung der Catecholderivate mit Trialkoxysilanen zu zwitterionischen, spirozyklischen, pentakoordinierten lambda5Si-Silicaten sowie mit Tetraalkoxysilanen zu dianionischen, hexakoordinierten lambda6Si-Silicaten berichtet. Besonderes Augenmerk lag dabei auf UV/vis-spektroskopischen Untersuchungen.

Alloys, intermetallic compounds and multi-metal oxides are generally made by traditional solid-state methods that often require melting or grinding/pressing powders followed by high temperature annealing (> 1000 degrees C) for days or weeks. The research presented here takes advantage of the fact that nanoparticles have a large fraction of their atoms on the surface making them highly reactive and their small size virtually eliminates the solid-solid diffusion process as the rate limiting step. Materials that normally require high temperatures and long annealing times become more accessible at relatively low-temperatures because of the increased interfacial contact between the nanoparticle reactants. Metal nanoparticles, formed via reduction of metal salts in an aqueous solution and stabilized by PVP (polyvinylpyrrolidone), were mixed into nanoparticle composites in stoichometric proportions. The composite mixtures were then annealed at relatively low temperatures to form alloy and intermetallic compounds at or below 600 degrees C. This method was further extended to synthesizing multi-metal oxide systems by annealing metal oxide nanoparticle composites hundreds of degrees lower than more traditional methods. Nanoparticles of Pt (supported or unsupported) were added to a metal salt solution of tetraethylene glycol and heated to obtain alloy and intermetallic nanoparticles. The supported intermetallic nanoparticles were tested as catalysts and PtPb/Vulcan XC-72 showed enhanced catalytic activity for formic acid oxidation while Pt3Sn/Vulcan XC-72 and Cu3Pt/y-Al2O3 catalyzed CO oxidiation at lower temperatures than supported Pt. Intermetallic nanoparticles of Pd were synthesized by conversion chemistry methods previously mentioned and were supported on carbon and alumina. These nanoparticles were tested for Suzuki cross-coupling reactions. However; the homocoupled product was generally favored. The catalytic activity of Pd3Pb/y-Al2O3 was tested for the Heck reaction and gave results comparable to Pd/y-Al2O3 with a slightly better selectivity. Conversion chemistry techniques were used to convert Pt nanocubes into Ptbased intermetallic nanocrystals in solution. It was discovered that aggregated clusters of Pt nanoparticles were capable of converting to FePt3; however, when Pt nanocubes were used the intermetallic phase did not form. Alternatively, it was possible to form PtSn nanocubes by a conversion reaction with SnCl2.

The thesis consists of two parts. Part 1 deals with the preparation of thin films and sub-micron powders of complex metal oxides by nebulized spray pyrolysis (NSP) and Part 2 consists of Brillouin scattering studies of solid materials exhibiting interesting phase transitions. The simple technique of NSP has been employed to prepare thin films of A12O3, PbTiO3, Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 (PZT) and PbZrO3 on single crystal substrate. The films were characterized by various techniques for their composition, structure, morphology and dielectric properties. Ferroelectric (FE) films of the configuration FE/LaNiO3/SiO2/Si (FE = PbTiO3 and PZT), wherein the LaNiO3 barrier electrode was also deposited on the SiO2/Si substrate by NSP, have been investigated. The films exhibit satisfactory ferroelectric properties. PbZrO3 films deposited on LaNiO3/SiO2/Si substrates show good features, including a reversible AFE ↔ FE transition. Sub-micron particles of TiO2, ZrO2, Pb(Zr0.5Ti0.5)O3, Al2O3, S1O2 and mullite have been prepared by NSP and characterized by various techniques. Brillouin scattering has been used, for the first time, not only to characterize the Peierls transition but also the incommensurate to commensurate transition in the one-dimensional blue bronze, K0.3M0O3. The charge density wave transition in NbSe2 has also been investigated by Brillouin scattering. The charge ordering and antiferromag-netic transitions in single crystals of the rare earth manganates, Nd0.5Ca0.5MnO3 and Pr0.63Ca 0.37MnO3, have been investigated by Brillouin scattering. It is noteworthy that the temperature variation of the Brillouin shift and intensity parallel to that of the magnetization, thereby throwing light on magnetic excitations in charge-ordered state. Brillouin scattering investigations of C60 and C70 films have yielded values of the elastic moduli.

Η απορρύπανση των υδάτων αποτελεί αναγκαία και καθιερωμένη από δεκαετίες πρακτική. Η απορρύπανση με τη μέθοδο της ρόφησης είναι μία από την πληθώρα των τεχνικών που εφαρμόζονται. Το περισσότερο διαδεδομένο ροφητικό υλικό είναι ο ενεργός άνθρακας, του οποίου όμως το υψηλό κόστος παραγωγής, οδήγησε την επιστημονική έρευνα στην αναζήτηση εναλλακτικών, υλικών χαμηλότερου κόστους. Για το σκοπό αυτό, το επιστημονικό ενδιαφέρον έχει στραφεί σε πολλά υλικά κυρίως οργανικής προέλευσης, αλλά και σε ανόργανα υλικά, όπως τα οξείδια των μετάλλων, τα οποία αφθονούν στη φύση. Στην παρουσα εργασία έγινε μελέτη της ροφητικής ικανότητας φυσικών οξειδίων, για τη ρόφηση αρωματικών οργανικών ενώσεων και βαρέων μετάλλων. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε ο μηχανισμός της ρόφησης του φαινανθρενίου, της 2-ναφθόλης και του υδραργύρου από οξείδια αργιλίου, τιτανίου, αργιλίου/πυριτίου και σιδήρου, με σκοπό την αξιολόγηση των υλικών αυτών ως ροφητικών υλικών και τη σύγκριση των αποτελεσμάτων με αυτά της ρόφησης των αντίστοιχων ρύπων από υλικά που παρασκευάζονται από την πυρόλυση πρώτης ύλης βιολογικής προέλευσης. Για τη μελέτη της κινητικής της ρόφησης του φαινανθρενίου και της 2-ναφθόλης πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, σε θαλασσινό και γλυκό συνθετικό νερό, με διαφορετικές ποσότητες ροφητικού υλικού (χωρίς χημική επεξεργασία) και για διαφορετικό χρόνο επαφής. Από τα πειράματα αυτά μετρήθηκε η κινητική της ρόφησης καθώς και το ποσοστό απομάκρυνσης των ρύπων από το διάλυμα. Από τις μετρήσεις που έγιναν, προέκυψε ότι το ποσοστό απομάκρυνσης του φαινανθρενίου από το διάλυμα αυξάνεται αυξανομένης της ποσότητας του ροφητικού υλικού. Η σταθερά της ρόφησης Kd, κυμάνθηκε σε ένα εύρος τιμών από 1 έως 10 L/Kg, τιμές 2 έως 4 τάξεις μεγέθους μικρότερες από αυτές άλλων ροφητικών υλικών βιολογικής προέλευσης, ή προϊόντων πυρόλυσης. Τη μεγαλύτερη ικανότητα ρόφησης φαινανθρενίου επέδειξε η γ-αλούμινα με ειδική επιφάνεια 270 m2/g, με μέγιστη απομάκρυνση φαινανθρενίου το 55 % της αρχικής συγκέντρωσης έπειτα από 8 ημέρες, ενώ τη μικρότερη ικανότητα ρόφησης η γ-αλούμινα με ειδική επιφάνεια 120 m2/g, με μέγιστη απομάκρυνση το 14 % της αρχικής συγκέντρωσης, έπειτα από 10 ημέρες. Η τιτάνια, με ειδική επιφάνεια 120 m2/g, είχε ως αποτέλεσμα την απομάκρυνση του 52 % της αρχικής συγκέντρωσης φαινανθρενίου, σε 8 ημέρες. Από τα πειράματα ρόφησης της 2-ναφθόλης από την γ-αλούμινα, δεν προέκυψε μετρήσιμη ρόφηση. Η ρόφηση του υδραργύρου από την γ-αλούμινα (ειδική επιφάνεια 131 m2/g), και τα οξείδια σιδήρου μελετήθηκε με πειράματα στους 25 °C, σε pH 5 και με χρόνο εξισορρόπησης τις 24 h. Από τα πειράματα προέκυψε ισόθερμη καμπύλη και έγινε προσπάθεια προσαρμογής της σε μοντέλα ρόφησης. Παρατηρήθηκε αύξηση του ποσοστού απομάκρυνσης του υδραργύρου, με αύξηση της μάζας της γ-αλούμινας. Το μέγιστο ποσοστό απομάκρυνσης, ήταν το 93 % της αρχικής συγκέντρωσης και επιτεύχθηκε με μάζα γ-αλούμινας ίση και μεγαλύτερη από 1 g. Για τιμή Ce=15 mg/L, μετρήθηκε qe=0,91 mg/g, τιμή 1 έως 2 τάξεις μεγέθους μικρότερη από αυτές άλλων ροφητικών υλικών βιολογικής προέλευσης ή προϊόντων πυρόλυσης. Τα οξείδια σιδήρου, παρότι είχαν ειδική επιφάνεια 55 m²/g, δεν παρουσίασαν μετρήσιμη ροφητική ικανότητα για κανέναν από τους ρύπους, που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία. Συνοψίζοντας μπορούμε να πούμε ότι τα ανόργανα υλικά που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία, παρόλο που παρουσιάζουν μεγάλες τιμές ειδικής επιφάνειας, δεν μπορούν να χαρακτηρισθούν ως αξιόλογα ροφητικά υλικά, τόσο για τη ρόφηση των οργανικών ρύπων φαινανθρένιο και 2-ναφθόλη, όσο και για τη ρόφηση του υδραργύρου. / Water treatment is a necessary and standard practice since decades. Adsorption technology in water treatment is one of many techniques being used. Activated carbon is the most widely applied adsorbent in water treatment, however its high production cost has led scientific research to investigate alternative low cost sorbent materials. This need has developed scientific interest towards novel materials most of them derived from biomass, but also inorganic oxides that are abundant in nature. The present study focuses on the investigation of the capacity of natural oxides to adsorb aromatic organic compounds and heavy metals. Specifically, sorption of phenanthrene, 2-naphthol and mercury onto aluminum, titanium, silicon and ferric oxides was examined, for the evaluation of these materials as sorbents, compared to pyrolized biomaterials. For the study of sorption of phenanthrene and 2-naphthol, batch experiments were conducted at room temperature, using artificial seawater and fresh water, different mass of sorbent material at different contact time. Sorption kinetics and the pollutant removal percentages were determined. The proportion of phenanthrene removal increased with the increase of the mass of the sorbent material. Sorption distribution coefficient Kd ranged between 1 and 10 L/Kg. These values are 2 to 4 orders of magnitude lower than the respective values shown for biomaterials and for pyrolysis products, respectively. Maximum sorption capacity of phenanthrene (55 % proportion removal) was shown by γ-alumina, with a specific surface area equal to 270 m2/g, after 8 days. Minimum sorption capacity (14 % proportion removal) was shown by γ-alumina, with a specific surface area equal to 120 m2/g, after 10 days. Titania, with a specific surface area equal to 120 m2/g, adsorbed a proportion of 52 % of the initial concentration of phenanthrene, after 8 days. Sorption experiments of 2-naphthol from γ-alumina, did not show a measurable sorption. Sorption of mercury from γ-alumina and ferric oxides was studied, conducting batch experiments at 25 °C, pH 5, 24 h contact time. The experiments resulted to an isotherm curve that was evaluated using different sorption isotherm models. An increase of the proportion of mercury removal, with the increase of the mass of γ-alumina was observed. Maximum proportion of mercury removal (93% of the initial concentration) was observed with the addition of γ-alumina of 1 g or more. At Ce=15 mg/L, qe=0,91 mg/g was measured. This value is 1 to 2 orders of magnitude lower, than the respective values shown for biomaterials and for pyrolysis products, respectively. Even though ferric oxides’ specific surface area was estimated at 55 m²/g, they did not show a measurable sorption capacity for any of the pollutants tested in the present study. Even though the materials examined in the present study, were of large specific surface area, their sorptive properties shown, are not competitive with the respective properties of biomaterials. Thus, they cannot be considered as promising sorbents for the removal of phenanthrene, 2-naphthol, or mercury from water.

Recently, researchers on nanoparticles and nanostructures has received a great deal of attention not only in the area of synthesis and characterization but also in their potential application in various high-technological applications. Nanomaterials are widely used not only for environmental and biological applications but also for electronic and sensing applications. Among various classes of nanomaterials, the metal oxide nanostructures possess particular important because of their significant physical and chemical properties which allowed them to be used for the fabrication of highly efficient nanodevices. The metal oxide nanomaterials are widely used for catalysis, sensing, and electronic devices, and so on. Due to the high-efficient applications, researchers have developed several synthesis strategies to prepare metal oxide nanostructures with tailored geometry and utilize them for a variety of applications. However, it is still desirable to prepare metal oxide nanomaterials with environment-friendly precursors and processes with varied size and morphology for their effective utilization in specific applications. This thesis focuses on the synthesis, characterizations and specific applications of two undoped and doped metal oxide nanostructures, i.e. zinc oxide (ZnO) and iron oxide (α-Fe2O3). The thesis highlights the development of novel synthesis techniques/procedures which are rapid, consume less energy and time, and are less cumbersome, more economical, especially because of the low temperature process. The other aspect of the thesis is to use the as-synthesized nanomaterials for several important applications such as sensors, photovoltaic, and photocatalysis. The thesis is divided into several chapters. Chapter 1 starts with a brief introduction of the metal oxide nanostructures and their various synthetic methods. In addition to this, a short review on the targeted applications, i.e. sensing, photovoltaic and photocatalytic, of this thesis was also discussed in this chapter. Finally, the chapter describes the objective and importance of the thesis. Chapter 2 deals with the details of the synthesis and characterization techniques used in this thesis. Two specific techniques, i.e. hydrothermal and thermal evaporation, have been used for the synthesis of various undoped and doped nanomaterials explored in this thesis. The synthesized nanomaterials were examined by variety of techniques in terms of the morphological, structural, optical, compositional and electrical properties. Moreover the prepared nanomaterials together were used for various applications such as sensing, photovoltaic and photocatalytic applications. In a word, this chapter provides all the detailed procedures for the synthesis, characterizations and applications of targeted nanomaterials in this thesis. Chapter 3 describes the main results and discussion of the thesis. This chapter is divided into several sections and each section describes the synthesis, detailed characterizations and particular application of a single metal oxide nanomaterial. Section 1 describes the growth, characterization and ammonia chemical sensing applications of well-crystalline ZnO nanopencils grown via facile and simple hydrothermal process using commonly used laboratory chemicals. Importantly, the fabricated ammonia chemical sensor exhibited ultra-high sensitivity. Section 2 demonstrates the use of ZnO balls made of intermingled nanocrystalline nanosheets for photovoltaic device application. Successful growth, characterizations and phenyl hydrazine chemical sensing applications based on Ag-doped ZnO nanoflowers was demonstrated in section 3 of this chapter. Section 4 describes the Ce-doped ZnO nanorods for the detection of hazardous chemical; hydroquinone. Section 5 exemplifies the facile growth and detailed structural and optical characterizations of In-Doped ZnO hollow spheres composed of nanosheets networks and nanocones. Finally, section 6 illustrates the utilization of α-Fe2O3 hexagonal nanoparticles for environmental remediation and smart sensor applications. Moreover the synthesized α-Fe2O3 hexagonal nanoparticles were characterized in detail in terms of their morphological, structural, compositional and optical properties. Chapter 4 briefly highlights the overall conclusion and an outlook for further investigations suggested by the work undertaken here for this thesis. / Τα τελευταία χρόνια τα νανοσωματίδια και οι νανοδομές έχουν προσελκύσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω των σημαντικών δυνατοτήτων που προσφέρουν για εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας. Τα νανοϋλικά χρησιμοποιούντα ευρέως τόσο για περιβαλλοντικές και βιολογικές εφαρμογές όσο και για εφαρμογές στην ηλεκτρονική και τους αισθητήρες. Μεταξύ των διάφορων κατηγοριών νανοϋλικών, οι νανοδομές μεταλλικών οξειδίων παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων τους, που τους επιτρέπουν να χρησιμοποιούνται για την κατασκευή νανοσυσκευών υψηλής απόδοσης, με χαρακτηριστικά πεδία εφαρμογών την κατάλυση, την ηλεκτρονική και τους αισθητήρες. Για τους σκοπούς αυτούς, έχει αναπτυχθεί πληθώρα μεθόδων για την σύνθεση και προετοιμασία νανοδομών μεταλλικών οξειδίων με επιθυμητές γεωμετρίες, ώστε να είναι κατάλληλα για διαφορετικές εφαρμογές. Παρόλα αυτά, εξακολουθεί να υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για την παραγωγή τέτοιων υλικών σε διάφορα μεγέθη και μορφολογίες, με περιβαλλοντικά φιλικές μεθόδους, με απώτερο σκοπό την χρησιμοποίησή τους σε συγκεκριμένες εφαρμογές. Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην σύνθεση, τον χαρακτηρισμό και τις εφαρμογές των νανοδομών δύο συγκεκριμένων μεταλλικών οξειδίων (ZnO και α-Fe2O3) με ή χωρίς προσμείξεις. Η διατριβή δίνει έμφαση σε νέες τεχνικές σύνθεσης, οι οποίες είναι γρήγορες, καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια και είναι πιο οικονομικές κυρίως λόγω χαμηλότερης θερμοκρασίας επεξεργασίας. Οι δομές των νανοϋλικών που προκύπτουν, χρησιμοποιούνται σε διάφορες σημαντικές εφαρμογές, όπως είναι οι αισθητήρες, τα φωτοβολταϊκά και η φωτοκατάλυση. Η διατριβή χωρίζεται σε 4 κεφάλαια. Στο κεφάλαιο 1 δίνεται μία σύντομη εισαγωγή στις νανοδομές των μεταλλικών οξειδίων και τις διάφορες μεθόδους σύνθεσης. Παρουσιάζονται συνοπτικά τα είδη των εφαρμογών τα οποία θα αποτελέσουν αντικείμενο μελέτης και τέλος περιγράφονται οι αντικειμενικοί στόχοι και η σημασία της διατριβής. Το κεφάλαιο 2 πραγματεύεται λεπτομερώς τις τεχνικές σύνθεσης και χαρακτηρισμού που υιοθετούνται στο μεγαλύτερο μέρος της μελέτης. Συγκεκριμένα, για την σύνθεση των νανοϋλικών (με ή χωρίς προσμίξεις) χρησιμοποιούνται οι τεχνικές της υδροθερμικής και της θερμικής εξάχνωσης. Τα παραγόμενα νανοϋλικά μελετήθηκαν ως προς την σύνθεσή τους, καθώς επίσης και τις μορφολογικές, δομικές, οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες. Στην συνέχεια, χρησιμοποιούνται για τα διάφορα είδη εφαρμογών που αναφέρθηκαν παραπάνω. Με άλλα λόγια, στο κεφάλαιο αυτό περιέχονται όλες οι λεπτομέρειες των διαδικασιών παραγωγής και των εφαρμογών. Το κεφάλαιο 3 περιλαμβάνει την παρουσίαση και συζήτηση των αποτελεσμάτων. Αποτελείται από διάφορες παραγράφους η κάθε μία εκ των οποίων περιγράφει την σύνθεση, τον χαρακτηρισμό και τις εφαρμογές ενός εκ των υλικών. Στην Παράγραφο 1 περιγράφονται η ανάπτυξη, ο χαρακτηρισμός των κρυσταλλικών ZnO νανομολυβδιών μέσω μίας απλής και εύκολης υδροθερμικής διαδικασίας, χρησιμοποιώντας συνηθισμένα εργαστηριακά υλικά, καθώς επίσης και η εφαρμογή τους ως χημικοί αισθητήρες αμμωνίας. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι αισθητήρες που κατασκευάστηκαν επέδειξαν υπέρ-υψηλή ευαισθησία. Η παράγραφος 2 επιδεικνύει την χρήση ZnO σφαιρών που είναι κατασκευασμένες απο αναμιγμένα νανοκρυσταλλικά νανοφύλλα για φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Η επιτυχής ανάπτυξη και χαρακτηρισμός ZnO νανολουλουδιών εμπλουτισμένα με Άργυρο καθώς επίσης και η χρήση τους σε εφαρμογές αισθητήρων φαινυλο-υδραζίνης παρουσιάζονται στην παράγραφο 3. Στην παράγραφο 4 περιγράφεται η χρήση ZnO νανοράβδων εμπλουτισμένων με Δημήτριο για την ανίχνευση της επικίνδυνης χημικής ουσίας υδροκινόνης. Στην Παράγραφο 5 παρουσιάζεται η ανάπτυξη και ο λεπτομερής δομικός και οπτικός χαρακτηρισμός κοίλων σφαιρών ZnO εμπλουτισμένων με Ίνδιο που αποτελούνται απο δίκτυα νανοφύλλων και νανοκώνους. Τέλος στην παράγραφο 6 περιγράφεται η χρήση εξαγωνικών νανοσωματιδίων α-Fe2O3 για περιβαλλοντική αποκατάσταση και εφαρμογές ευφυών αισθητήρων. Οι δομές αυτές χαρακτηρίστηκαν λεπτομερώς ως προς τη σύνθεση τις μορφολογικές, τις δομικές και τις οπτικές ιδιότητες. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της παρούσας διατριβής καθώς επίσης και προστάσεις για την περεταίρω διερεύνηση των υπό μελέτη συστημάτων.