Fluorescent carbon dots (C-dots) are well known for their low cell-cytotoxicity, biocompatibility, low preparation cost, excitation dependent photoluminescence, and excellent photostability. Typically, raw C-dots have low quantum efficiency and thus researchers have been utilizing biocompatible polymers such as polyethylene glycol (PEG) as a passivation agent in order to increase fluorescence signal. In this work, we report fluorescent self-passivated carbon nanodots (CNDs) synthesized from PEG by using it as a carbon source as well as a passivating agent. Importantly, the addition of graphene quantum dots (GQDs) during the synthesis of self-passivated CNDs can tune photoluminescence property. The results of bioimaging and cytotoxicity test of self-passivated CNDs hold promises for biomedicine applications.

Deux configurations différentes, à savoir en microcanal et en cuve de spectroscopie utilisant un laser UV, sont conçues pour effectuer la photodéposition de plots métalliques uniques sur du TiO2. Des nanoparticules cristallines d’anatase de formes et de tailles variées sont synthétisées à dessein et utilisées comme semi-conducteurs pour cette réaction photochimique. Quatre précurseurs de métaux avec différents états de valence (Ag (I), Au (III), Pd (II) et Pt (IV)), sont réduits de manière photochimique à la surface de TiO2. Plusieurs techniques, notamment XPS, TEM / HRTEM, spectroscopie UV-vis, sont utilisées pour caractériser l'état chimique, la distribution en taille et en nombre des points métalliques et le comportement d'absorption des nanoparticules Metal-TiO2. On obtient des nano-hétérodimères avec un plot Ag, Au, Pd et Pt par TiO2, ce qui montre que le dépôt au laser semble être beaucoup plus efficace dans ce cas que celui de la photodéposition par lampe UV habituelle, suggérant que le flux de photons compte beaucoup plus que l'énergie déposée. Les hétérodimères Ag-TiO2 sont synthétisés avec succès par les deux méthodes de dépôt au laser. Le nombre et la distribution de taille des plots d’Ag dépendent des capteurs de trous, du pH et du précurseur métallique. Un modèle de croissance prédit bien la variation de la taille de l'argent dans le processus de photodéposition. L'extension de la synthèse à d'autres précurseurs métalliques (KAuCl4, Na2PdCl4 et H2PtCl6) à l'aide des deux configurations a conduit à la formation d'hétérodimères de TiO2 à base d'or, de palladium et de platine. La loi de croissance de l'or peut aussi être raisonnablement prédite, bien qu'elle ne soit pas aussi bonne que dans le cas de l'Ag, alors que notre modèle ne fonctionne pas dans le cas de Pd et de Pt. Enfin, des nanoobjets bimétalliques à structure coeur-écorce (Au@M)-TiO2 (M = Ag, Pd, Au et Pt) ont été synthétisés avec succès par une méthode de dépôt simple par laser UV en deux étapes en configuration cuve de spectroscopie. / Two different setups, namely microchannel and cuvette setups using UV laser, are built to perform the photodeposition of a single metal dotson TiO2. Crystal anatase TiO2 nanoparticles with various shapes and sizes, are synthesized on purpose and used as semiconductors for this photochemical reaction. Four metal precursors with different valence states, i.e. Ag(I), Au (III), Pd(II) and Pt(IV) ions, are photochemically reduced on the surface of TiO2. Several techniques, including XPS, TEM/HRTEM, UV-vis spectroscopy, are performed to characterize the chemical state, size and number distribution of metal dots, and the absorption behaviours of the Metal-TiO2 nanoparticles. Nano-heterodimers with one Ag, Au, Pd and Pt per TiO2 are obtained showing that laser deposition seems to be much more efficient in this case than of the usual UV lamp photodeposition, suggesting that the flux of photons matters much more than the deposited energy. Ag-TiO2 heterodimer nanoparticles are successfully synthesized by the two laser deposition methods. The number and size distribution of Ag dots are dependent on hole scavengers, pH and metal precursor. A growth model well predicted the silver size variation in the photodeposition process. Extending the synthesis to other metal precursors (KAuCl4, Na2PdCl4 and H2PtCl6) using both setups led to the formation of gold, palladium and platinum-based heterodimers with TiO2. The growth law of gold can reasonably be predicted as well, although it is not as good as in the case of Ag, while our model did not work in the case of Pd and Pt. Finally, bimetallic core-shell structured (Au@M)-TiO2 (M=Ag, Pd, Au and Pt) nanoobjects were successfully synthesized by a simple two-step UV laser deposition method in the cuvette setup.

Commercial organic dyes are widely used for cellular staining due to their small size, high brightness, and chemical functionality. However, their blinking and photobleaching are not ideal for studying dynamics inside live cells. An improvement over organics and much larger quantum dots, silver nanodots (Ag NDs) exhibit low cytotoxicity and excellent brightness and photostability, while retaining small size. We have utilized ssDNA hairpin structures to encapsulate Ag NDs with excellent spectral purity, high concentration, and good chemical and photophysical stability in a variety of biological media. Multi-color staining of fixed and live cells has been achieved, suggesting the promise of Ag NDs as good fluorophores for intracellular imaging. The great brightness and photostability of Ag nanodots indicate that they might be outstanding imaging agents for in vivo studies when encapsulated in delivery vehicles. In addition, Ag NDs can be optically modulated, resulting in increased sensitivity within high backgrounds. These good characteristics are combined with delivery vehicles such as PLGA and nanogels. After encapsulation, Ag nanodots still retain their good photophysical properties and modulation. It might be useful for in vivo applications in the near future

>Magister Scientiae - MSc / Currently, non-renewable sources are mostly used to meet the ever-growing demand for energy. However, these sources are not sustainable. In addition to these energy sources being not sustainable, they are bad for the environment although the energy supply sectors highly depend on them. To address such issues the use of renewable energy sources has been proven to be beneficial for the supply of energy for the global population and its energy needs. Advantageous over non-renewable sources, renewable energy plays a crucial role in minimizing the use of fossil fuel and reduces greenhouse gases. Minimizing use of fossil fuels and greenhouse gases is important, because it helps in the fight against climate change. The use of renewable energy sources can also lead to less air pollution and improved air quality. Although solar energy is the most abundant source of renewable energy that can be converted into electrical energy using various techniques, there are some limitations. Among these techniques are photovoltaic cells which are challenged by low efficiencies and high costs of material fabrication. Hence, current research and innovations are sought towards the reduction of costs and increasing the efficiency of the renewable energy conversion devices.

No description available.

No description available.

No description available.

Self-organization is a hot topic as it has the potential to create surface patterns on the nanoscale avoiding cost-intensive top-down approaches. Although chemists have promising results in this area, ion irradiation can create self-organized surface patterns in a more controlled manner. Different regimes of pattern formation under ion irradiation were described so far by 2D models. Here, two new regimes have been studied experimentally, which require modeling in 3D: subsurface point defect kinetics as well as ion impact-induced melt pool formation. This thesis deals with self-organized pattern formation on Ge and Si surfaces under normal incidence irradiation with heavy monatomic and polyatomic ions of energies up to several tens of keV. Irradiation has been performed using liquid metal ion sources in a focused ion beam facility with mass-separation as well as by conventional broad beam ion implantation. Irradiated samples have been analyzed mainly by scanning electron microscopy. Related to the specific irradiation conditions, investigation and discussion of pattern formation has been divided into two parts: (i) formation of Ge morphologies due to point defect kinetics and (ii) formation of Ge and Si morphologies due to melt pool dynamics. Point defect kinetics dominates pattern formation on Ge under irradiation with monatomic ions at room temperature. Irradiation of Ge with Bi and Ge ions at fluences up to 10^17 cm^(-2) has been performed. Comprehensive studies show for the first time that morphologies change from flat surfaces over hole to nanoporous, sponge-like patterns with increasing ion energy. This study is consistent with former irradiations of Ge with a few ion energies. Based on my studies, a consistent, qualitative 3D model of morphology evolution has been developed, which attributes the ion energy dependency of the surface morphology to the depth dependency of point defect creation and relaxation. This model has been proven by atomistic computer experiments, which reproduce the patterns found in real irradiation experiments. At extremely high energy densities deposited by very heavy ions another mechanism dominates pattern formation. The formation of Ge and Si dot patterns by very heavy, monatomic and polyatomic Bi ion irradiation has been studied in detail for the first time. So far, this formation of pronounced dot pattern cannot be explained by any model. Comprehensive, experimental studies have shown that pattern formation on Ge is related to extremely high energy densities deposited by each polyatomic ion locally. The simultaneous impact of several atoms leads to local energy densities sufficient to cause local melting. Heating of Ge substrates under ion irradiation increases the achievable energy density in the collision cascade substantially. This prediction has been confirmed experimentally: it has been found that the threshold for nanomelting can be lowered by substrate heating, which allows pattern formation also under heavy, monatomic ion irradiation. Extensive studies of monatomic Bi irradiation of heated Ge have shown that morphologies change from sponge-like over highly regular dot patterns to smooth surfaces with increasing substrate temperature. The change from sponge-like to dot pattern is correlated to the melting of the ion collision cascade volume, with energy densities sufficient for melt pool formation at the surface. The model of pattern formation on Ge due to extremely high deposited energy densities is not specific to a single element. Therefore, Si has been studied too. Dot patterns have been found for polyatomic Bi ion irradiation of hot Si, which creates sufficiently high energy densities to allow ion impact-induced melt pool formation. This proves that pattern formation by melt pool formation is a novel, general pattern formation mechanism. Using molecular dynamics simulations of project partners, the correlation between dot patterning and ion impact-induced melt pool formation has been proven. The driving force for dot pattern formation due to high deposited energy densities has been identified and approximated in a first continuum description.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η ανάπτυξη λεπτών υμενίων πορωδών ανοδικών οξειδίων του αλουμινίου (αναφέρονται και ως πορώδης ανοδική αλουμίνα) σε υπόστρωμα πυριτίου. Επιπλέον, εξετάζεται η ανάπτυξη εφαρμογών που αφορούν τη χρήση της πορώδους αλουμίνας ως μάσκα και ως μήτρα για την δημιουργία νανονημάτων ή κβαντικών τελειών (νανονησίδων) στο Si. Το πρώτο κεφάλαιο πραγματεύεται τη θεωρία και τους μηχανισμούς που διέπουν την ανάπτυξη πορωδών υμενίων, που προέρχονται από ανοδική οξείδωση (ανοδίωση) τόσο φύλλων αλουμινίου, όσο και υμενίων αλουμινίου σε υπόστρωμα πυριτίου. Επιπροσθέτως, παρατίθεται ο ρόλος που διαδραματίζουν οι ηλεκτροχημικές συνθήκες ανοδίωσης, όπως το pH, η θερμοκρασία και η εφαρμοζόμενη τάση, στα τελικά δομικά χαρακτηριστικά των πορωδών υμενίων. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα τεχνολογικά βήματα διεργασιών που αφορούν την προετοιμασία των δειγμάτων τα οποία πρόκειται να ανοδιωθούν, και δίνονται λεπτομέρειες για την πειραματική διάταξη η οποία χρησιμοποιείται κατά την ανοδίωση. Στο τρίτο κεφάλαιο μελετώνται εκτενώς, τρεις παράγοντες που έχουν σημαντική επίδραση στα τελικά δομικά χαρακτηριστικά των πορωδών υμενίων. Κατά τους δύο πρώτους, εξετάζεται η επίδραση του πάχους του προς ανοδίωση υμενίου αλουμινίου πάνω στο Si, καθώς και ο περιορισμός του σε επιφάνειες μερικών τετραγωνικών μικρομέτρων πάνω στο Si, στο μέγεθος και την πυκνότητα των πόρων. Ο τρίτος παράγοντας αφορά το ρόλο της ανοδίωσης του υμενίου του αλουμινίου σε δύο και τρία στάδια σε συνδυασμό με τη χημική εγχάραξή του μετά από κάθε στάδιο ανοδίωσης, στην ανάπτυξη εξαγωνικής συμμετρίας στην κατανομή των πόρων. Το τέταρτο κεφάλαιο, πραγματεύεται την ανάπτυξη εφαρμογών που συνδέονται με τη χρήση της πορώδους αλουμίνας ως μάσκα και ως μήτρα για τη δημιουργία νανοδομών επάνω στο πυρίτιο. Ως εκ τούτου παρουσιάζεται η δημιουργία νανονησίδων Cr, Ti, νανοστηλών Si, και νανονημάτων Au, πάνω στο Si, εφαρμογές στις οποίες τα πορώδη ανοδικά υμένια χρησιμοποιήθηκαν ως ενδιάμεσο στάδιο. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθεται η ανάπτυξη διαμέσου της πορώδους αλουμίνας, εξαγωνικά διατεταγμένων νανονησίδων SiO2 στο Si. Επίσης, παρουσιάζεται ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός διατάξεων οι οποίες αποτελούνται από την εν λόγω δομή. Σε ένα επιπλέον βήμα, οι νανονησίδες SiO2 χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη νανοκρυσταλλιτών Si στο εσωτερικό τους μέσω της τεχνικής της ιοντικής σύνθεσης. Τα σημαντικότερα αποτελέσματα και συμπεράσματα που προέκυψαν από την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής συνοψίζονται στα εξής: • Βελτίωση της εξαγωνικής συμμετρίας στην κατανομή των πόρων, μέσω ανοδίωσης σε δύο ή τρία στάδια σε συνδυασμό με χημική εγχάραξη του προς ανοδίωση αλουμινίου έπειτα από κάθε στάδιο ανοδίωσης. • Αύξηση της πυκνότητας των πόρων των ανοδικών υμενίων κατά μία τάξη μεγέθους, με περιορισμό του προς ανοδίωση αλουμινίου σε προεπιλεγμένες περιοχές στο Si, επιφάνειας μερικών τετραγωνικών μικρομέτρων. • Ανάπτυξη διατεταγμένων νανοδομών Ti και Cr σε υπόστρωμα Si χρησιμοποιώντας λεπτά υμένια πορώδους αλουμίνας πάνω σε Si. Ιδιαίτερα οι δομές Cr, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μεταλλική νανοδομημένη μάσκα για την εγχάραξη με ενεργά ιόντα του υποστρώματος Si και τη δημιουργία νανοστηλών Si πάνω σε αυτό. Η δημιουργία νανοστηλών Si, βρίσκει πληθώρα εφαρμογών στη Νανοηλεκτρονική, σε αισθητήρες, Nανοφωτονική, μνήμες κ.τ.λ. • Οι πυκνότητες διεπιφανειακών καταστάσεων που προέκυψαν από τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό της διεπιφάνειας υμενίων πορώδους αλουμίνας με το πυρίτιο, και της διεπιφάνειας πορώδους αλουμίνας – νανονησίδων SiO2 με το πυρίτιο. Οι τιμές που υπολογίστηκαν είναι ενθαρρυντικές, αν ληφθεί υπόψη ο ηλεκτροχημικός τρόπος παρασκευής των εν λόγω σύνθετων υμενίων πάνω στο πυρίτιο. • Ανάπτυξη μεμονωμένων νανοκρυσταλλιτών Si ενσωματωμένων σε νανονησίδες SiO2. Για το σκοπό αυτό συνδυάστηκαν δύο διαφορετικές τεχνολογίες, εκείνη της ιοντικής σύνθεσης και εκείνη της ανάπτυξης νανονησίδων SiO2 διαμέσου λεπτών υμενίων πορώδους αλουμίνας απευθείας σε υπόστρωμα Si. Τέτοιες δομές νανοκρυσταλλιτών έχουν εφαρμογές σε διατάξεις μη πτητικών μνημών, όπου η κατανεμημένη αποθήκευση φορτίου στους νανοκρυσταλλίτες ευνοεί τη χρήση λεπτότερων οξειδίων πύλης και τη δυνατότητα σμίκρυνσης του πάχους των οξειδίων αυτών χωρίς να μειώνεται ο χρόνος αποθήκευσης φορτίου. / In the present thesis, the growth of porous anodic alumina films on Si substrate was studied extensively. Potential applications of porous anodic alumina films formed directly on Si, regarding the use of porous membranes as mask or template for various nanostructures growth directly on Si, are discussed. Chapter one deals with the theory and mechanisms governing porous anodic alumina film growth, either on porous anodic films formed by anodization of aluminum foils, or on porous anodic films developed on Si substrates. Additionally, the effect of different factors (pH, temperature, applied voltage) on the final structural characteristics is presented. In chapter two, the preliminary processing steps regarding sample preparation before the anodization procedure are quoted. Moreover, details about the experimental set-up and the electrochemical conditions used during the sample anodization in the current work are given. In chapter three, the influence of three different factors, in the final structural characteristics, is investigated. Primarily, the impact of the initial aluminum thickness deposited on Si substrate, and secondly the confinement of the aluminum film in areas of a few μm2, in the pore size and pore density are studied. Finally, the influence of the third factor is associated with a three-step instead of a two-step anodization, in combination with an in-between step of aluminum chemical etching, on the ordering and the uniformity of the pores. The deposition of Ti and Cr nanodots arrays on Si, using the porous alumina membrane as a masking layer, is investigated in chapter four. Furthermore, the Ti nanodots are used for the electrodeposition of Au nanodots and nanowires inside the porous alumina films. Additionally, the Cr dots are used as metallic nanostructured mask for the Si etching by reactive ion etching process, that leads to the formation of Si nanopillars on Si substrate. In chapter five the growth of hexagonally ordered SiO2 dots on Si through porous anodic alumina membranes, in various acidic electrolytes, is studied. Moreover, the electrical characterization of the interface of porous alumina film/Si and porous alumina film with SiO2 dots in pore bottoms/ Si is presented. Finally, in the present thesis the technology of fabrication of Si nanocrystals embedded in SiO2 dots arrays through porous alumina membranes on Si substrate is developed for the first time. This was achieved by the combination of ion beam synthesis with the already existing technology of porous anodic alumina growth on Si substrates. The nanocrystals are electrically isolated from the substrate. This technique is promising as an application in non-volatile memory devices. The main achievements accomplished through this study are summarized as follows: • The optimization of pores ordering by developing the porous alumina membrane in two or three processing steps in combination with the chemical etching of Al film, lying above the porous membrane, following each anodization cycle. • The increase of porous density by the confinement of porous alumina film in areas of a few μm2 on Si. • The development of Ti, Cr and nanodots arrays, directly on Si, through porous alumina membranes. The use of Cr nanodots as nanostructured masking layer for the formation of Si nanopillars, formed by etching of Si substrate with RIE, on Si. • The density of interface stages results from the electrical characterization of porous alumina with or without SiO2 dots at each pore bottom, with the Si substrate. The results are encouraging, keeping in mind that the pore membranes and SiO2 dots were electrochemically grown directly on Si substrate. • The development of distinct Si nanocrystalls, embedded in SiO2 dots, combining for the first time two different technologies, that is the fabrication of porous anodic alumina films directly on Si substrate, as well as the ion beam synthesis technique. The proposed technique is promising for the fabrication of non-volatile memory devices.

No description available.