Sandia es un laboratorio multiprograma operado por Sandia Corporation, Lockheed Martin Company, de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear bajo contrato DE-AC04-94-AL85000. El trabajo también fue apoyado por el Departamento de Energía de los EE.UU., Oficina de Ciencias Básicas de Energía en el marco del proyecto Pequeño Grupo de Investigación Individual Investigador (Grant N º DE-SC0002619) del Prof. Violi (Universidad de Michigan, Ann Arbor). KRW es apoyado por el Departamento de Energía, Oficina de Ciencia, Programa de Investigación de Carrera Temprana bajo el Departamento de Energía de Contrato No. DE-AC02-05CH11231 EE.UU.. La fuente de luz avanzada con el apoyo del Director de la Oficina de Ciencia, Oficina de Ciencias Básicas de Energía, del Departamento de Energía de los EE.UU. bajo el Contrato No. DE-AC02-05CH11231. KKH reconoce apoyo constante de parte de esta investigación por la DFG bajo contrato KO 1363/18-3.

1. Los experimentos en fase gaseosa <ol><li> Encendiendo la baja presión premezclado Llama <ol><li> Asegúrese de que el agua de refrigeración fluye a través de la pared del quemador y cámara de la llama y que la cámara de la llama se bombea hasta ~ 0,1 mbar. </li><li> Establecer un 1 L / min de flujo de argón y un flujo de 1,5 L / min de oxígeno a través de la superficie del quemador y mantener una presión de 80 mbar (60 Torr) en la cámara de la llama. </li><li> Coloque el dispositivo de ignición de hilo caliente sobre la superficie del quemador; establecer el flujo de hidrógeno a 0,4 L / min, y rápidamente activar el encendedor. </li><li> Después del encendido, apague el dispositivo de ignición de hilo caliente, y vuelva a colocarlo lejos del quemador. </li><li> Establecer los flujos deseados de argón, oxígeno, hidrógeno, y el combustible. Ajuste la presión para que coincida con las condiciones de la llama de destino [generalmente 20-40 mbar (15-30 Torr)]. Nota: Las condiciones de llama para llamas individuales se proporcionan en la literatura original. Por ejemplo, los flujos de la aleno estequiométrica y propino llamas sonenumerados en Hansen et al 22. </li></ol></li><li> Adquisición de fotoionización Eficiencia (PIE) Curves - Scan Energy <ol><li> Cuando la presión en la cámara de ionización es ≤ 10 -6 mbar, se aplican las tensiones a la óptica de iones del espectrómetro de tiempo-de-vuelo de masas y detector de placa de microcanal y abrir las válvulas de la línea de luz. Nota: Los experimentos de calibración anteriores (no se muestra en el video) se utilizaron para encontrar los valores de voltaje para un rendimiento óptimo del espectrómetro de masas. </li><li> Inicie el programa de adquisición de datos Labview &quot;Interface.vi General&quot; (Figura 2) y mueva el quemador a la posición deseada utilizando la pestaña &quot;Motor&quot; en el software. Nota: Este código de LabVIEW fue desarrollado en la línea de luz y está disponible bajo petición. </li><li> Utilice la pestaña &quot;General&quot; para definir los parámetros de exploración, es decir, el número de pasos por eV de energía fotónica. Típicamente, un tamaño de paso de 0,05 eV esutilizado. </li><li> Utilice la ficha &quot;ALS&quot; para ajustar la energía del fotón del valor de salida deseado, y definir el &quot;ELA Energy&quot; para ser &quot;activo&quot;. </li><li> En el panel &quot;Control&quot;, activar &quot;K6485&quot; para leer la fotocorriente medida por el fotodiodo. </li><li> En la pestaña &quot;P7886&quot;, utilice el botón &quot;Ajustar parámetros&quot; para ajustar el número de barridos (normalmente entre 2 19 y 2 21), el número de contenedores (normalmente 48k) y el ancho de caja (500 psec). </li><li> Introduzca una ruta de archivo válida y el nombre y haga clic en &quot;Start&quot; para iniciar el proceso de adquisición de datos controlado por ordenador. </li></ol></li><li> Adquisición de espectros de masas - Quemador Scan <ol><li> Aplicar las tensiones como para las exploraciones de energía a la óptica de iones del espectrómetro de tiempo-de-vuelo de masas y detector de placa de microcanal. </li><li> Abra las válvulas de la línea de luz para permitir que el haz de fotones en la cámara. </li><li> Abrir el ACQ datos Labviewprograma uisition &quot;Interface.vi General&quot;. </li><li> Mediante la pestaña &quot;Motor&quot; en el software, utilice la &quot;basculador&quot; para mover la superficie del quemador lo más cerca posible del cono de muestreo, y definir esa posición como el &quot;origen&quot;. Definir el motor a ser &quot;activo&quot;. </li><li> Utilice a la pestaña &quot;General&quot; para definir los parámetros de exploración, es decir, el número de pasos por mm de movimiento del quemador. Los valores típicos son de 0-5 mm en 20 pasos, 5-20 mm en 15 pasos, y 20-30 mm en 5 pasos. </li><li> Utilice la ficha &quot;ALS&quot; para establecer la energía de los fotones en el valor deseado. Los valores típicos son 8-16,65 eV. </li><li> En el panel &quot;Control&quot;, activar &quot;K6485&quot; para leer la fotocorriente medida por el fotodiodo. </li><li> En la pestaña &quot;P7886&quot;, utilice el botón &quot;Ajustar parámetros&quot; para iniciar una sub-VI (Figura 3) para establecer el número de barridos, es decir, el número de Adde espectros de masasD en la parte superior de cada otra en cada posición del quemador (normalmente entre 2 19 y 2 21), el número de contenedores (normalmente 48K), y el ancho de caja (500 PSEC). </li><li> Proporcionar una ruta de acceso válida y un nombre y haga clic en &quot;Start&quot; para comenzar el proceso de adquisición de datos automatizado. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 2" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" width="500" /> Figura 2. Interfaz gráfica de usuario del programa de adquisición de datos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig2highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 3" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" width="500" /> Figura 3. Interfac gráfica de usuarioe para los parámetros del escalador de varios canales de entrada. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig3highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> 2. Experimentos de aerosol <ol><li> Encendiendo la presión próxima a la atmosférica Llama flujo Opuesto <ol><li> Asegúrese de que el agua de refrigeración fluye a través del quemador, que los puntos de venta de reactivos son aprox. 10 mm entre sí, y que la cámara de la llama se bombea hacia abajo a la presión alcanzable mínimo (~ 2 mbar). </li><li> Llene la cámara de la llama con argón y llevar la presión hasta ~ 860 mbar (650 Torr). </li><li> Coloque la bobina de encendido aprox. en el centro de las dos salidas de los quemadores. </li><li> Establecer los flujos de gas de la siguiente manera (Ar ya debería estar fluyendo ya que se utilizó para llenar la cámara): corriente oxidante: O 2 0,3 L / min y Ar 1.6 L / min; Coflow corriente oxidante: Ar 2.5 L / min; Corriente de combustible: H 2 0,3 L / min, Ar 2,5 L / min; Coflow flujo de combustible: Ar2,5 l / min. </li><li> Abra las válvulas de hidrógeno y oxígeno, y cambiar inmediatamente de bobina de encendido. </li><li> Una vez que la llama se enciende, apague la bobina de encendido, y retractarse. </li><li> Establecer los flujos deseados de oxígeno, argón, y el combustible. Apagar el flujo de hidrógeno, y la presión de ajuste y la separación de salida reactivo a los valores deseados para la llama de destino. Nota: Los tipos de flujo para la llama de propano, que se muestra en el video, se proporcionan en Skeen et al 4. </li></ol></li><li> Adquisición de un Espectro de masas de aerosol <ol><li> Aplicar las tensiones adecuadas para la óptica de iones y el detector de la AMS. Nota: Los ajustes de voltaje para un rendimiento óptimo se encontraron en los experimentos de calibración anteriores, que no se muestran en el video. </li><li> Abra el programa de adquisición de datos Labview &quot;General Opuesto-Interface-Flow.vi&quot;. Nota: Este VI es una modificación de la &quot;Interface.vi general&quot;, en la que el control del motor se ha actualizado paracoincidan con las nuevas necesidades. </li><li> Utilice la aplicación &quot;basculador&quot; en la pestaña de &quot;Motor&quot; para traducir el quemador opuesto de flujo para que la microsonda de cuarzo está en la posición más cercana a la toma de corriente de combustible (Figura 4). Si bien en esta posición, vuelva a la posición del motor de paso a cero. En éste se define la posición de &quot;origen&quot;. </li><li> Abrir lentamente la válvula de bola de un cuarto de giro que permite el flujo de la línea de la llama de muestreo en la lente aerodinámica del sistema (ADL). Confirmar que la presión en la salida de la ADL es cerca de 1 x 10 2 mbar. </li><li> Utilice la pestaña &quot;General&quot; para definir los parámetros de exploración, es decir, el número de pasos por mm de movimiento quemador (exploración quemador) o energía fotónica (exploración de la energía). </li><li> Utilice la ficha &quot;ALS&quot; para ajustar la energía del fotón que desee y utilizar la pestaña &quot;Motor&quot; para mover el quemador a la posición del quemador deseado. </li><li> Utilice la ficha &quot;P7886&quot; y el &quot;Set Parámetros &quot;botón en él para ajustar los parámetros de adquisición. </li><li> Definir &quot;Motor&quot; (exploración quemador) o &quot;ALS Energy&quot; (exploración de la energía) para ser &quot;activo&quot;. </li><li> Introduzca una ruta de archivo válida y un nombre en los campos correspondientes y haga clic en &quot;Inicio&quot;. Aerosol espectros de masas se toman ahora de forma automática. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4. Interfaz gráfica de usuario para el movimiento del quemador para el montaje de la llama opuesto-flow. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51369/51369fig4highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

<ol>
	<li>Hansen, N., Cool, T. A., Westmoreland, P. R., Kohse-H&#246;inghaus, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+contributions+of+flame-sampling+molecular-beam+mass+spectrometry+to+a+fundamental+understanding+of+combustion+chemistry.">Recent contributions of flame-sampling molecular-beam mass spectrometry to a fundamental understanding of combustion chemistry.</a> Progress in Energy and Combustion Science. 35, 168-191 (2009).</li><li>Taatjes, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Imaging"+combustion+chemistry+via+multiplexed+synchrotron-photoionization+mass+spectrometry.">Imaging" combustion chemistry via multiplexed synchrotron-photoionization mass spectrometry.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 10, (1039).</li><li>Leone, S. R., Ahmed, M., Wilson, K. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemical+dynamics,+molecular+energetics,+and+kinetics+at+the+synchrotron.">Chemical dynamics, molecular energetics, and kinetics at the synchrotron.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 12, 6564-6578 (2010).</li><li>Skeen, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Near-threshold+photoionization+mass+spectra+of+combustion-generated+high-molecular-weight+soot+precursors.">Near-threshold photoionization mass spectra of combustion-generated high-molecular-weight soot precursors.</a> Journal of Aerosol Science. 58, 86-102 (2013).</li><li>Cool, T. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoionization+mass+spectrometer+for+studies+of+flame+chemistry+with+a+synchrotron+light+source.">Photoionization mass spectrometer for studies of flame chemistry with a synchrotron light source.</a> Review of Scientific Instruments. 76, (2005).</li><li>Cool, T. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Selective+detection+of+isomers+with+photoionization+mass+spectrometry+for+studies+of+hydrocarbon+flame+chemistry.">Selective detection of isomers with photoionization mass spectrometry for studies of hydrocarbon flame chemistry.</a> Journal of Chemical Physics. 119, 8356-8365 (2003).</li><li>Hansen, N., Miller, J. A., Klippenstein, S. J., Westmoreland, P. R., Kohse-H&#246;inghaus, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exploring+formation+pathways+of+aromatic+compounds+in+laboratory-based+model+flames+of+aliphatic+fuels.">Exploring formation pathways of aromatic compounds in laboratory-based model flames of aliphatic fuels.</a> Combustion Explosion and Shock Waves. 48, 508-515 (2012).</li><li>Wang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+nascent+soot+and+other+condensed-phase+materials+in+flames.">Formation of nascent soot and other condensed-phase materials in flames.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 33, 41-67 (2011).</li><li>Bockhorn, H., D'Anna, A., Sarofim, A. F., Wang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Combustion generated fine carbonaceous particles. , (2009).</li><li>Lewtas, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Air+pollution+combustion+emissions:+Characterization+of+causative+agents+and+mechanisms+associated+with+cancer,+reproductive,+and+cardiovascular+effects.">Air pollution combustion emissions: Characterization of causative agents and mechanisms associated with cancer, reproductive, and cardiovascular effects.</a> Mutation Research-Reviews in Mutation Research. 636, 95-133 (2007).</li><li>Cohen, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Outdoor+air+pollution+and+lung+cancer.">Outdoor air pollution and lung cancer.</a> Environmental Health Perspectives. 108, 743-750 (2000).</li><li>Gaffney, J. S., Marley, N. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+impacts+of+combustion+emissions+on+air+quality+and+climate+-+From+coal+to+biofuels+and+beyond.">The impacts of combustion emissions on air quality and climate - From coal to biofuels and beyond.</a> Atmos. Environ. 43, 23-36 (2009).</li><li>Lighty, J. S., Veranth, J. M., Sarofim, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combustion+aerosols:+Factors+governing+their+size+and+composition+and+implications+to+human+health.">Combustion aerosols: Factors governing their size and composition and implications to human health.</a> Journal of the Ai., &amp; Waste Management Association. 50, 1565-1618 (2000).</li><li>Gardiner, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Gas-Phase Combustion Chemistry. , (2000).</li><li>Warnatz, J., Maas, U., Dibble, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. , (2006).</li><li>McEnally, C. S., Pfefferle, L. D., Atakan, B., Kohse-H&#246;inghaus, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+of+aromatic+hydrocarbon+formation+mechanisms+in+flames:+Progress+towards+closing+the+fuel+gap.">Studies of aromatic hydrocarbon formation mechanisms in flames: Progress towards closing the fuel gap.</a> Progress in Energy and Combustion Science. 32, 247-294 (2006).</li><li>Kohse-H&#246;inghaus, K., Barlow, R. S., Alden, M., Wolfrum, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combustion+at+the+focus:+laser+diagnostics+and+control.">Combustion at the focus: laser diagnostics and control.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 30, 89-123 (2005).</li><li>Qi, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combustion+chemistry+probed+by+synchrotron+VUV+photoionization+mass+spectrometry.">Combustion chemistry probed by synchrotron VUV photoionization mass spectrometry.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 34, 33-63 (2013).</li><li>Golan, A., Ahmed, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+beam+mass+spectrometry+with+tunable+vacuum+ultraviolet+(VUV)+synchrotron+radiation.">Molecular beam mass spectrometry with tunable vacuum ultraviolet (VUV) synchrotron radiation.</a> Journal of Visualized Experiments. 50164 (68), (2012).</li><li>Kohse-H&#246;inghaus, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofuel+combustion+chemistry:+From+ethanol+to+biodiesel.">Biofuel combustion chemistry: From ethanol to biodiesel.</a> Angew. Chem. Int. Ed. 49, 3572-3597 (2010).</li><li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fuel-structure+dependence+of+benzene+formation+processes+in+premixed+flames+fueled+by+C6H12+isomers.">Fuel-structure dependence of benzene formation processes in premixed flames fueled by C6H12 isomers.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 33, 585-592 (2011).</li><li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isomer-specific+combustion+chemistry+in+allene+and+propyne+flames.">Isomer-specific combustion chemistry in allene and propyne flames.</a> Combustion and Flame. 156, 2153-2164 (2009).</li><li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Initial+steps+of+aromatic+ring+formation+in+a+laminar+premixed+fuel-rich+cyclopentene+flame.">Initial steps of aromatic ring formation in a laminar premixed fuel-rich cyclopentene flame.</a> Journal of Physical Chemistry A. 111, 4081-4092 (2007).</li><li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+C5Hx+isomers+in+fuel-rich+flames+by+photoionization+mass+spectrometry+and+electronic+structure+calculations.">Identification of C5Hx isomers in fuel-rich flames by photoionization mass spectrometry and electronic structure calculations.</a> Journal of Physical Chemistry A. 110, 4376-4388 (2006).</li><li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+and+chemistry+of+C4H3+and+C4H5+isomers+in+fuel-rich+flames.">Identification and chemistry of C4H3 and C4H5 isomers in fuel-rich flames.</a> Journal of Physical Chemistry A. 110, 3670-3678 (2006).</li><li>Hansen, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+combined+ab+initio+and+photoionization+mass+spectrometric+study+of+polyynes+in+fuel-rich+flames.">A combined ab initio and photoionization mass spectrometric study of polyynes in fuel-rich flames.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 10, 366-374 (2008).</li><li>Taatjes, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enols+are+common+intermediates+in+hydrocarbon+oxidation.">Enols are common intermediates in hydrocarbon oxidation.</a> Science. 308, 1887-1889 (2005).</li><li>Tolocka, M. P., Zhao, B., Wang, H., Johnston, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemical+species+associated+with+the+early+stage+of+soot+growth+in+a+laminar+premixed+ethylene-oxygen-argon+flame.">Chemical species associated with the early stage of soot growth in a laminar premixed ethylene-oxygen-argon flame.</a> Combustion and Flame. 142, 364-373 (2005).</li></ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

La combinación descrita de la llama-muestreo y VUV basado en sincrotrón ionización de fotón único con espectrometría de masas proporciona la visión más detallada en la composición química de las llamas en la actualidad posibles modelo basado en el laboratorio. El espectrómetro de masas proporciona la detección universal de todas las especies de llama muestreados simultáneamente con una alta sensibilidad (rango ppm) durante un amplio rango dinámico. Instrumental para el éxito de esta técnica es el uso de fotones VUV sincrotrón-generada, cuyas energías puede ser fácilmente ajustado, para proporcionar una buena selectividad entre isómeros y de control de la fragmentación. El último factor es importante en el análisis de mezclas complejas. Las capacidades del experimento descrito son incomparables por cromatografía de gases, que se utiliza comúnmente para el isómero de separación, y por medio de técnicas de ionización convencionales que utilizan electrones energéticos. Limitaciones de la técnica basada en sincrotrón surgen del hecho de que, especialmente para grandes relaciones masa-carga, MAny diferentes isómeros son concebibles, que luego no se puede identificar de forma única, y sus contribuciones no se pueden separar de forma fiable 1. Los resultados experimentales, en la forma de composiciones de llama isómero resuelto, pueden producir la mejora de los modelos cinéticos de la química de combustión en un nivel molecular excepcionalmente detallada. Los experimentos descritos son muy complicados y una descripción de los procedimientos de solución de problemas están más allá de lo que puede ser documentada en el video y / o la sección de protocolo de este manuscrito. Este hecho también es cierto para los procedimientos de análisis de datos. Las modificaciones en el montaje experimental se realizan normalmente fuera de línea entre el &quot;tiempo de haz&quot; asignado. Debido a que el énfasis de estos experimentos es en la determinación cuantitativa de productos intermedios de combustión, es muy crítico tener llamas estables y reproducibles. Además, es necesario elegir sabiamente las energías de los fotones y los otros parámetros de exploración para obtener unaconjunto n adecuada de los datos experimentales de que es suficiente para una determinación fiable de la estructura de la llama. Los experimentos realizados en la llama de la Fuente de Luz Avanzada han contribuido con éxito a desentrañar la química de la formación de benceno en las llamas de hidrocarburos 7. Un papel prominente de los radicales estabilizado por resonancia como precursores se ha establecido, por ejemplo, con la identificación de la propargilo, alilo, y I-C 4 H 5 radicales. Debido a la formación de benceno se piensa que es sólo el primer paso en el proceso general de formación de hollín, los esfuerzos adicionales están en curso en la fuente de luz avanzada para identificar la composición química de las partículas de hollín de la llama en la muestra. En comparación con los anteriores experimentos de hollín de muestreo similares 28, este experimento de aerosol-muestreo recién establecida permite la grabación de cerca-umbral de espectros de masas, lo que significa que la energía del fotón puede ser sintonizado con precisión to sólo ligeramente por encima de las energías de ionización de los componentes &quot;, evitando así la fragmentación. Además, fragmentaciones también se evitan en gran medida mediante el empleo del proceso de flash vaporización en el bloque de cobre de temperatura controlada. Sin embargo, el experimento se encuentra limitado por no ser capaz de proporcionar datos cuantitativos. Además, los espectros de masas de grabados no son de partícula específico, pero promediados sobre muchas partículas probable que varían en composición y tamaño. Además, la condensación puede ocurrir y ocurre en la sonda de muestreo, lo que complica la identificación de las especies asociadas con las partículas en la llama. Además, las especies detectadas deben ser lo suficientemente volátil para ser vaporizado en la temperatura del bloque de cobre (300-400 ° C) bajo vacío. Sin embargo, los datos cualitativos temprano sugiere que las composiciones de especies precursoras de hollín dependen de la estructura química del combustible y que los mecanismos de hollín precursor de formación se accionan cinéticamente a diferencia de Therhemodinámicamente. Los esfuerzos de espectrometría de masas de aerosoles se encuentran actualmente en las primeras etapas, y los conocimientos adquiridos hasta el momento identificar más oportunidades de investigación. El trabajo futuro en los procesos de formación de hollín es probable que se centran en la química más allá del primer anillo aromático, es decir, la formación de indeno, naftaleno, antraceno, etc, y sus isómeros. El objetivo final es entender la química (y física) de la creación de las partículas, y para desarrollar un modelo predictivo que puede describir todo el proceso de formación de hollín (de oxidación del combustible a la coagulación de partículas).

El establecimiento de un mecanismo coherente y predecible para los procesos de crecimiento molecular y la formación de hollín es uno de los mayores desafíos en la combustión química 8,9 de investigación. Los procesos de combustión representan más de la mitad de la contaminación del aire de partículas finas (PM 2,5 - partículas finas definidas por un diámetro aerodinámico de ≤ 2,5 micras), y, para reducir la emisión de estos subproductos de la combustión no deseados, es importante saber sus identidades, las concentraciones , y la formación de pathways 10. La naturaleza de los subproductos de la combustión se ve influenciada por el combustible y las condiciones en las que se quema. Muchos estudios han relacionado las emisiones de combustión a los efectos ambientales y de salud agudos 11-13. Por ejemplo, las partículas generadas por la combustión tienen una fuerte influencia en la calidad del aire, la visibilidad atmosférica, y el balance radiativo de la atmósfera de la Tierra. Se supone que la composición química de la suspensión en el aire peinepartículas USTIÓN generados determina su toxicidad, que se asocia comúnmente con los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Las últimas especies se consideran los precursores moleculares de hollín, y que se forman en los procesos de combustión incompleta. Una vez más, para identificar estos procesos sigue siendo un problema difícil. En general, las reacciones de combustión, que están en el origen de estas emisiones, siguen complicados descomposición de combustible y las vías de oxidación, con la participación de muchas especies reactivas diferentes. Están conectados a una red de cientos o incluso miles de reacciones cuyas tasas dependerá de la temperatura y la presión 14,15. Laminar, premezclada, llamas planas quemador estabilizado, que se pueden establecer a presiones tan bajas como de 20 a 80 mbar (15-60 Torr), representan uno de los entornos estándar de combustión utilizados para desentrañar esta red química compleja e investigar el contaminante potencial de uny dada de combustible prototipo 16. En esta configuración, el combustible y el oxidante se mezclan ya cuando llegan al frente de la llama; por lo tanto, la velocidad de combustión está dominado por procesos químicos y no por la mezcla. Al operar estas llamas a una presión sub-atmosférica, el espesor físico de la zona de reacción se incrementa, lo que permite mejorar la resolución espacial de la temperatura y de concentración de gradientes con técnicas basadas en láser o una sonda de muestreo de 1,17. Con el fin de analizar con precisión la composición química de tales llamas, se requiere una herramienta analítica que proporciona la detección universal de todas las especies simultáneamente, alta sensibilidad y el rango dinámico, una buena selectividad entre los isómeros, y el control de la fragmentación molecular. Un gran avance en la investigación de combustión-química se logra con el uso de espectrometría de masas de llama-muestreo a fuentes de luz de sincrotrón donde se utiliza sintonizable de vacío-ultravioleta (VUV) de radiación para cerca-threShold de fotón único ionización 5,6. En los experimentos de la llama de la fuente de luz avanzada (ALS) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que se muestran en el vídeo que acompaña, muestras de gas son retirados de entre las llamas premezcladas por un cono de cuarzo, ampliado en alto vacío, y se ionizan por VUV aquellos fotones 1,5. El montaje experimental se muestra esquemáticamente en la Figura 1. La clave para el éxito de este experimento ha sido la capacidad de sintonizar la energía de los fotones ionizantes en un rango adecuado para minimizar o incluso evitar fotofragmentación y permitir isómero especificidad 1,3 , 5,18. Como se muestra en el video, la eficiencia de fotoionización (PIE) curvas se pueden grabar mediante la regulación de la energía de los fotones 19, que nos permiten identificar las especies isoméricas específicos en la mezcla de la llama complicado. Las curvas de PIE para especies individuales suelen tener características distintas, es decir, los umbrales de ionización, formas e intensidades. El vídeo de unLSO muestra el enfoque experimental utilizado para determinar los perfiles de fracción molar de los componentes individuales como una función de la distancia a la superficie del quemador. Estos experimentos de combustión a base ALS-se han centrado en los procesos de formación de hollín en las llamas de hidrocarburos y de la oxidación de la próxima generación, combustibles oxigenados, bio-derivado 1,20. Con respecto al problema de la formación de hollín, los experimentos revelaron muchos nuevos puntos de vista. En resumen, ahora se entiende que la estructura química del combustible influye en la identidad (y la cantidad) de las moléculas precursoras y que, por consiguiente muchos caminos diferentes pueden contribuir a la primera etapa del proceso general de formación de hollín 7,21. Ideas aún más en la química de la formación de hollín fueron ganados en la identificación de los componentes químicos de las nanopartículas de hollín de la llama generada con un espectrómetro de masas de aerosol a base de ALS. En este nuevo experimento, que es explained en la segunda mitad del video, se utilizan no premezclada (difusión) llamas. El montaje experimental se muestra también en la Figura 1. En esta configuración, una llama se establece a presión próxima a la atmosférica [933 mbar (700 torr)] entre dos chorros laminares opuestas de combustible y el oxidante. Debido a que los flujos de combustible y oxidante permanecen separadas fuera de la zona de reacción, esta configuración proporciona una buena oportunidad para examinar los procesos de crecimiento moleculares. Partículas de la llama generada se retiran de la llama usando una microsonda de cuarzo y, posteriormente, se concentraron con un sistema de lentes aerodinámico sobre un objetivo de cobre calentada, donde las partículas parpadean vaporizar y romper aparte en sus componentes individuales. Estos bloques moleculares son entonces ionizados por los fotones VUV del ALS, y los iones correspondientes se seleccionan masa 4. No todo el trabajo necesario se puede mostrar en el video, pero los datos de aerosoles sugieren que los mecanismos de formación de hollín pueden ser kineticall<html> y y no controlada termodinámicamente. Además, los datos también indican que el ampliamente aceptado abstracción de H-C 2 H 2-adición (HACA) mecanismo, en el que las especies aromáticas pequeños crecen a los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP más grandes) por una secuencia repetitiva de abstracción de H y C 2 H 2 reacciones de adición, no pueden explicar todos los componentes de las partículas observadas. Combinado con el vídeo, el siguiente protocolo detalla los procedimientos de adquisición de datos. <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. Diagrama esquemático del haz molecular llama muestreo de aerosoles y experimentos de espectrometría de masa en la fuente de luz avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Con los permisos de Refs. 2 y 4.9fig1highres.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="573">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Name of Material/ Equipment</td>
			<td style="width:71px;">Company</td>
			<td style="width:119px;">Catalog Number</td>
			<td style="width:167px;">Comments/Description</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;"></td>
			<td style="width:71px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">flame-sampling mass spectrometer</td>
			<td style="width:71px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>custom-built</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">aerosol mass spectrometer</td>
			<td style="width:71px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>custom-built</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

flame experiments at the advanced light source: new insights into soot formation processes

Los siguientes protocolos experimentales y el video adjunto se refieren a los experimentos de llama que se realizan en el Chemical Dynamics línea de luz de la fuente de luz avanzada (ALS) del Lawrence Berkeley National Laboratory 1-4. Este video muestra cómo se analizan las complejas estructuras químicas de modelo basado en el laboratorio llamas mediante espectrometría de masas de llama-muestreo con sintonizable (VUV) radiación sincrotrón generada vacío ultravioleta. Este enfoque experimental combina capacidades de isómeros-resolución con alta sensibilidad y un amplio rango dinámico de 5,6. La primera parte del video describe experimentos con quemador estabilizada, baja presión (20-80 mbar) premezcladas laminares llamas. Un combustible de hidrocarburo pequeña se utilizó para la llama seleccionado para demostrar el enfoque experimental general. Se muestra cómo los perfiles de las especies se adquieren en función de la distancia desde la superficie del quemador y cómo la capacidad de ajuste de la VUVenergía de los fotones se utiliza ventajosamente para identificar muchos de los productos intermedios de combustión sobre la base de sus energías de ionización. Por ejemplo, esta técnica se ha utilizado para estudiar aspectos de gas y fase de los procesos de formación de hollín, y el video muestra cómo los radicales estabilizado por resonancia, como C 3 H 3, C 3 H 5 y i-C 4 H 5, se identifican como productos intermedios importantes 7. El trabajo se ha centrado en los procesos de formación de hollín, y, desde el punto de vista químico, este proceso es muy interesante porque las estructuras químicas que contienen millones de átomos de carbono se ensamblan a partir de una molécula de combustible que sólo poseen unos pocos átomos de carbono en sólo milisegundos. La segunda parte del video pone de relieve un nuevo experimento, en el que una llama de difusión de flujo opuesto y espectrometría de masas de aerosol a base de sincrotrón se utilizan para estudiar la composición química de las partículas de hollín generadas por la combustión 4. Los resultados experimentales indican Tsombrero el mecanismo ampliamente aceptado abstracción de H-C 2 H 2-adición (HACA) no es el único proceso de crecimiento molecular responsable de la formación de los hidrocarburos observadas grandes aromáticos policíclicos (HAP).

Un espectro de masas típico de los gases de la llama en la muestra desde el quemador premezclado de baja presión se muestra en la Figura 5. Las identidades de las especies que contribuyen a la señal son reveladas por la eficiencia de fotoionización de la llama en la muestra (PIE) curvas para cada masa-a- carga (m / z) ratio y su comparación con conocidas energías de ionización isómero específico y curvas circulares. Los ejemplos típicos de las curvas de PIE de llama en la muestra se muestran en la Figura 6 para m / z = 39 (C 3 H 3) y 41 (C 3 H 5). Los datos se han tomado de una llama propino estequiométrica 22. La señal se identifica de forma inequívoca por sus umbrales de ionización característicos que se originan a partir de los radicales propargílicos y alilo resonantemente estabilizados. Para muchos valores de m / z, múltiples isómeros se identifican de forma rutinaria mediante la observación de múltiples umbrales. Muchos ejemplos se han discutido ampliamente en la literatura, por ejemplo, m / z= 40 (aleno y propino), 44 (ethenol y acetaldehído), 54 (1,3-butadieno, 1-butino, y 2-butino), o 78 (fulveno y benceno) 23-27. <img alt="La figura 5" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig5highres.jpg" width="500" /> Figura 5. Espectro de tiempo de vuelo en masa. Grabado con fotones de 9,9 eV a 1,25 mm de distancia de la de baja presión del quemador premezclado en un estequiométrica propino-O 2 de la llama. Todos los picos se pueden asignar fácilmente a diversos productos intermedios de combustión como se indica en el siguiente paso. <img alt="La figura 6" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig6highres.jpg" width="500" /> Figura 6. Llama muestreada-curvas de eficiencia de fotoionización para m / z = 39 y 41. Los radicales resonante estabilizadas propargilo y unllyl sin ambigüedad puede ser identificado sobre la base de los umbrales de ionización observados. Una vez que la composición isomérica es conocido, los espectros de masas se toman en diferentes energías de los fotones y desde dentro de diferentes posiciones en la llama, como se describe anteriormente en la Sección de Protocolo, para permitir la determinación de los perfiles de fracción molar-isómero específico de las especies individuales como función de la distancia desde la superficie del quemador. Representativos perfiles de fracción molar de fulveno y benceno en una llama propino estequiométrica del quemador de premezclado de baja presión se muestran en la Figura 7 22. Para cada llama, típicamente un total de 40 a 50 perfiles de fracción molar individuales se determinan para las especies que van desde m / z = 1 (átomo de H) a m / z = 78 (benceno y / o fulveno) o incluso más, dependiendo de los objetivos científicos. Estos perfiles de fracción molar se utilizan para evaluar la capacidad predictiva de los modelos de combustión química y para validate ellos. <img alt="La figura 7" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig7highres.jpg" width="500" /> Figura 7. Experimentales perfiles de fracción molar. Perfiles de fulveno y benceno en una llama propino estequiométrica del quemador premezclado de baja presión. Un espectro típico de masa de aerosol se muestra en la Figura 8. Fue tomada desde dentro de un propano llama de difusión de flujo opuesto. Se observó señal de iones para especies con proporciones m / z de 150 a 600, con un pico alrededor de m / z = 226. Está más allá de las capacidades experimentales actuales para identificar todas las especies observadas en el espectro de masas o de desentrañar sus posibles vías de formación. Tomando como espectros de masas como una función de la distancia desde la salida de combustible como se describe anteriormente (y se muestra en el video) proporciona perfiles espacialmente resueltas. Un repreejemplo tante se muestra en la entrada de la figura 8 para la especie m / z = 256 (C 20 H 16). Perfiles similares se pueden obtener por cualquiera de las otras especies, así, que por lo tanto podría ser utilizado como objetivos de validación para cualquier modelo de combustión-química. <img alt="Figura 8" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51369/51369fig8highres.jpg" width="500" /> Figura 8. Muestreada-Llama espectro de masas de aerosol desde un propano-O 2 de difusión de flujo opuesto a la llama. La entrada muestra un representante perfil espacialmente resuelto para el C 20 H 16 especies en m / z = 256.

Watch this Scientific Journal Video about Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes at JoVE.com

Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

Toma de muestras de gas de las llamas a escala de laboratorio con el análisis en línea de todas las especies de la espectrometría de masas es un poderoso método para investigar la compleja mezcla de compuestos químicos que se producen durante los procesos de combustión. Junto con ionización suave puede ajustar mediante la radiación ultravioleta de vacío-sincrotrón generada, esta técnica proporciona información isómero resuelto y libre de fragmentos potencialmente espectros de masas.

Los experimentos de la llama a la fuente de luz avanzada: nuevos conocimientos sobre los procesos de formación de hollín

The following experimental protocols and the accompanying video are concerned with the flame experiments that are performed at the Chemical Dynamics ...

flame-experiments-at-advanced-light-source-new-insights-into-soot

Research

JoVE Journal

Engineering

12.7K vistas.  Sandia National Laboratories.  Toma de muestras de gas de las llamas a escala de laboratorio con el análisis en línea de todas las especies de la espectrometría de masas es un poderoso método para investigar la compleja mezcla de compuestos químicos que se producen durante los procesos de combustión. Junto con ionización suave puede ajustar mediante la radiación ultravioleta de vacío-sincrotrón generada, esta técnica proporciona información isómero resuelto y libre de fragmentos potencial...

Video: Flame Experiments at the Advanced Light Source: New Insights into Soot Formation Processes

Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To compensate for lower light absorption such physically thin devices have to incorporate light-trapping which increases their optical thickness. Light scattering by textured surfaces is a common technique but it cannot be universally applied to all solar cell technologies. Some cells, for example those made of evaporated silicon, are planar as produced and they require an alternative light-trapping means suitable for planar devices. Metal nanoparticles formed on planar silicon cell surface and capable of light scattering due to surface plasmon resonance is an effective approach.
The paper presents a fabrication procedure of evaporated polycrystalline silicon solar cells with plasmonic light-trapping and demonstrates how the cell quantum efficiency improves due to presence of metal nanoparticles.
To fabricate the cells a film consisting of alternative boron and phosphorous doped silicon layers is deposited on glass substrate by electron beam evaporation. An Initially amorphous film is crystallised and electronic defects are mitigated by annealing and hydrogen passivation. Metal grid contacts are applied to the layers of opposite polarity to extract electricity generated by the cell. Typically, such a ~2 &mu;m thick cell has a short-circuit current density (Jsc) of 14-16 mA/cm2, which can be increased up to 17-18 mA/cm2 (~25% higher) after application of a simple diffuse back reflector made of a white paint.
To implement plasmonic light-trapping a silver nanoparticle array is formed on the metallised cell silicon surface. A precursor silver film is deposited on the cell by thermal evaporation and annealed at 23&deg;C to form silver nanoparticles. Nanoparticle size and coverage, which affect plasmonic light-scattering, can be tuned for enhanced cell performance by varying the precursor film thickness and its annealing conditions. An optimised nanoparticle array alone results in cell Jsc enhancement of about 28%, similar to the effect of the diffuse reflector. The photocurrent can be further increased by coating the nanoparticles by a low refractive index dielectric, like MgF2, and applying the diffused reflector. The complete plasmonic cell structure comprises the polycrystalline silicon film, a silver nanoparticle array, a layer of MgF2, and a diffuse reflector. The Jsc for such cell is 21-23 mA/cm2, up to 45% higher than Jsc of the original cell without light-trapping or ~25% higher than Jsc for the cell with the diffuse reflector only.
Introduction
Light-trapping in silicon solar cells is commonly achieved via light scattering at textured interfaces. Scattered light travels through a cell at oblique angles for a longer distance and when such angles exceed the critical angle at the cell interfaces the light is permanently trapped in the cell by total internal reflection (Animation 1: Light-trapping). Although this scheme works well for most solar cells, there are developing technologies where ultra-thin Si layers are produced planar (e.g. layer-transfer technologies and epitaxial c-Si layers) 1 and or when such layers are not compatible with textures substrates (e.g. evaporated silicon) 2. For such originally planar Si layer alternative light trapping approaches, such as diffuse white paint reflector 3, silicon plasma texturing 4 or high refractive index nanoparticle reflector 5 have been suggested.
Metal nanoparticles can effectively scatter incident light into a higher refractive index material, like silicon, due to the surface plasmon resonance effect 6. They also can be easily formed on the planar silicon cell surface thus offering a light-trapping approach alternative to texturing. For a nanoparticle located at the air-silicon interface the scattered light fraction coupled into silicon exceeds 95% and a large faction of that light is scattered at angles above critical providing nearly ideal light-trapping condition (Animation 2: Plasmons on NP). The resonance can be tuned to the wavelength region, which is most important for a particular cell material and design, by varying the nanoparticle average size, surface coverage and local dielectric environment 6,7. Theoretical design principles of plasmonic nanoparticle solar cells have been suggested 8. In practice, Ag nanoparticle array is an ideal light-trapping partner for poly-Si thin-film solar cells because most of these design principle are naturally met. The simplest way of forming nanoparticles by thermal annealing of a thin precursor Ag film results in a random array with a relatively wide size and shape distribution, which is particularly suitable for light-trapping because such an array has a wide resonance peak, covering the wavelength range of 700-900 nm, important for poly-Si solar cell performance. The nanoparticle array can only be located on the rear poly-Si cell surface thus avoiding destructive interference between incident and scattered light which occurs for front-located nanoparticles 9. Moreover, poly-Si thin-film cells do not requires a passivating layer and the flat base-shaped nanoparticles (that naturally result from thermal annealing of a metal film) can be directly placed on silicon further increases plasmonic scattering efficiency due to surface plasmon-polariton resonance 10.
The cell with the plasmonic nanoparticle array as described above can have a photocurrent about 28% higher than the original cell. However, the array still transmits a significant amount of light which escapes through the rear of the cell and does not contribute into the current. This loss can be mitigated by adding a rear reflector to allow catching transmitted light and re-directing it back to the cell. Providing sufficient distance between the reflector and the nanoparticles (a few hundred nanometers) the reflected light will then experience one more plasmonic scattering event while passing through the nanoparticle array on re-entering the cell and the reflector itself can be made diffuse - both effects further facilitating light scattering and hence light-trapping. Importantly, the Ag nanoparticles have to be encapsulated with an inert and low refractive index dielectric, like MgF2 or SiO2, from the rear reflector to avoid mechanical and chemical damage 7. Low refractive index for this cladding layer is required to maintain a high coupling fraction into silicon and larger scattering angles, which are ensured by the high optical contrast between the media on both sides of the nanoparticle, silicon and dielectric 6. The photocurrent of the plasmonic cell with the diffuse rear reflector can be up to 45% higher than the current of the original cell or up to 25% higher than the current of an equivalent cell with the diffuse reflector only.

Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass are fabricated by deposition of boron and phosphorous doped silicon layers followed by crystallisation, defect passivation and metallisation. Plasmonic light-trapping is introduced by forming Ag nanoparticles on the silicon cell surface capped with a diffused reflector resulting in ~45% photocurrent enhancement.

De silicio policristalino película delgada de células solares con plasmónica mejorada luz que atrapa

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To ...

Investigación

Ingeniería

Angle-resolved Photoemission Spectroscopy At Ultra-low Temperatures

The physical properties of a material are defined by its electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;) and momentum (k) and the probability to find them in a particular state with given &omega; and k is described by the spectral function A(k, &omega;). This function can be directly measured in an experiment based on the well-known photoelectric effect, for the explanation of which Albert Einstein received the Nobel Prize back in 1921. In the photoelectric effect the light shone on a surface ejects electrons from the material. According to Einstein, energy conservation allows one to determine the energy of an electron inside the sample, provided the energy of the light photon and kinetic energy of the outgoing photoelectron are known. Momentum conservation makes it also possible to estimate k relating it to the momentum of the photoelectron by measuring the angle at which the photoelectron left the surface. The modern version of this technique is called Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) and exploits both conservation laws in order to determine the electronic structure, i.e. energy and momentum of electrons inside the solid. In order to resolve the details crucial for understanding the topical problems of condensed matter physics, three quantities need to be minimized: uncertainty* in photon energy, uncertainty in kinetic energy of photoelectrons and temperature of the sample.
In our approach we combine three recent achievements in the field of synchrotron radiation, surface science and cryogenics. We use synchrotron radiation with tunable photon energy contributing an uncertainty of the order of 1 meV, an electron energy analyzer which detects the kinetic energies with a precision of the order of 1 meV and a He3 cryostat which allows us to keep the temperature of the sample below 1 K. We discuss the exemplary results obtained on single crystals of Sr2RuO4 and some other materials. The electronic structure of this material can be determined with an unprecedented clarity.

The overall goal of this method is to determine the low-energy electronic structure of solids at ultra-low temperatures using Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy with synchrotron radiation.

De ángulo resuelto espectroscopia de fotoemisión a bajas temperaturas

The physical properties of a material are defined by its  electronic structure. Electrons in solids are characterized by energy (&omega;)  and momentum ...

Integrating a Triplet-triplet Annihilation Up-conversion System to Enhance Dye-sensitized Solar Cell Response to Sub-bandgap Light

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents and hence higher efficiencies. Photon up-conversion by way of triplet-triplet annihilation (TTA-UC) is an attractive technique for using these otherwise wasted low energy photons to produce photocurrent, while not interfering with the photoanodic performance in a deleterious manner. Further to this, TTA-UC has a number of features, distinct from other reported photon up-conversion technologies, which renders it particularly suitable for coupling with DSC technology. In this work, a proven high performance TTA-UC system, comprising a palladium porphyrin sensitizer and rubrene emitter, is combined with a high performance DSC (utilizing the organic dye D149) in an integrated device. The device shows an enhanced response to sub-bandgap light over the absorption range of the TTA-UC sub-unit resulting in the highest figure of merit for up-conversion assisted DSC performance to date.

An integrated device, incorporating a dye-sensitized solar cell and triplet-triplet annihilation up-conversion unit was produced, affording enhanced light harvesting, from a wider section of the solar spectrum. Under modest irradiation levels a significantly enhanced response to low energy photons was demonstrated, yielding a record figure of merit for dye-sensitized solar cells.

La integración de un Sistema de Up-conversión trío-triplete Aniquilación para Mejorar sensibilizado-Dye respuesta de células solares a la luz Sub-gap

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents ...

Failure Analysis of Batteries Using Synchrotron-based Hard X-ray Microtomography

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent of lithium-ion batteries, researchers have known that the lithium metal anode has the highest theoretical energy density of any anode material. However, rechargeable batteries containing a lithium metal anode are not widely used in consumer products because the growth of lithium dendrites from the anode upon charging of the battery causes premature cell failure by short circuit. Lithium dendrites can also form in commercial lithium-ion batteries with graphite anodes if they are improperly charged. We demonstrate that lithium dendrite growth can be studied using synchrotron-based hard X-ray microtomography. This non-destructive imaging technique allows researchers to study the growth of lithium dendrites, in addition to other morphological changes inside batteries, and subsequently develop methods to extend battery life.

Synchrotron-based hard X-ray microtomography is used to image the electrochemical growth of dendrites from a lithium metal electrode through a solid polymer electrolyte membrane.

Análisis de Falla en Baterías Utilizando Microtomografía duro de rayos X a base de Sincrotrón

Imaging morphological changes that occur during the lifetime of rechargeable batteries is necessary to understand how these devices fail. Since the advent ...

Measurement of X-ray Beam Coherence along Multiple Directions Using 2-D Checkerboard Phase Grating

A procedure for a technique to measure the transverse coherence of synchrotron radiation X-ray sources using a single phase grating interferometer is reported. The measurements were demonstrated at the 1-BM bending magnet beamline of the Advanced Photon Source (APS) at Argonne National Laboratory (ANL). By using a 2-D checkerboard &#960;/2 phase-shift grating, transverse coherence lengths were obtained along the vertical and horizontal directions as well as along the 45&#176; and 135&#176; directions to the horizontal direction. Following the technical details specified in this paper, interferograms were measured at different positions downstream of the phase grating along the beam propagation direction. Visibility values of each interferogram were extracted from analyzing harmonic peaks in its Fourier Transformed image. Consequently, the coherence length along each direction can be extracted from the evolution of visibility as a function of the grating-to-detector distance. The simultaneous measurement of coherence lengths in four directions helped identify the elliptical shape of the coherence area of the Gaussian-shaped X-ray source. The reported technique for multiple-direction coherence characterization is important for selecting the appropriate sample size and orientation as well as for correcting the partial coherence effects in coherence scattering experiments. This technique can also be applied for assessing coherence preserving capabilities of X-ray optics.

The measurement protocol and data analysis procedure are given for obtaining transverse coherence of a synchrotron radiation X-ray source along four directions simultaneously using a single 2-D checkerboard phase grating. This simple technique can be applied for complete transverse coherence characterization of X-ray sources and X-ray optics.

La medición de haz de rayos X coherencia a lo largo de múltiples direcciones Usando 2-D del tablero de damas rejilla de fase

A procedure for a technique to measure the transverse coherence of synchrotron radiation X-ray sources using a single phase grating interferometer is ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data acquisition times with high spatial resolution. In the electronics industry there is serious interest in performing failure analysis on 3D microelectronic packages, many which contain multiple levels of high-density interconnections. Often in tomography there is a trade-off between image resolution and the volume of a sample that can be imaged. This inverse relationship limits the usefulness of conventional computed tomography (CT) systems since a microelectronic package is often large in cross sectional area 100-3,600 mm2, but has important features on the micron scale. The micro-tomography beamline at the Advanced Light Source (ALS), in Berkeley, CA USA, has a setup which is adaptable and can be tailored to a sample&#39;s properties, i.e., density, thickness, etc., with a maximum allowable cross-section of 36 x 36 mm. This setup also has the option of being either monochromatic in the energy range ~7-43 keV or operating with maximum flux in white light mode using a polychromatic beam. Presented here are details of the experimental steps taken to image an entire 16 x 16 mm system within a package, in order to obtain 3D images of the system with a spatial resolution of 8.7 &#181;m all within a scan time of less than 3 min. Also shown are results from packages scanned in different orientations and a sectioned package for higher resolution imaging. In contrast a conventional CT system would take hours to record data with potentially poorer resolution. Indeed, the ratio of field-of-view to throughput time is much higher when using the synchrotron radiation tomography setup. The description below of the experimental setup can be implemented and adapted for use with many other multi-materials.

For this study synchrotron radiation micro-tomography, a non-destructive three-dimensional imaging technique, is employed to investigate an entire microelectronic package with a cross-sectional area of 16 x 16 mm. Due to the synchrotron&#39;s high flux and brightness the sample was imaged in just 3 min&#160;with an 8.7 &#181;m spatial resolution.

El uso de la radiación del sincrotrón Microtomografía encargado de investigar multi-escala Paquetes microelectrónicos tridimensionales

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Here, we present a protocol to fabricate organic thin film solar cells using a mini-slot die coater and related in-line structure characterizations using synchrotron scattering techniques.

La fabricación de la impresión a granel heterounión células solares y<em&gt; In Situ</em&gt; Morfología Caracterización

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a microfluidic chamber assembled in the specimen holder for Transmission Electron Microscopy (TEM) and STEM. The microfluidic system consists of two silicon microchips supporting thin Silicon Nitride (SiN) membrane windows. This article describes the basic steps of sample loading and data acquisition. Most important of all is to ensure that the liquid compartment is correctly assembled, thus providing a thin liquid layer and a vacuum seal. This protocol also includes a number of tests necessary to perform during sample loading in order to ensure correct assembly. Once the sample is loaded in the electron microscope, the liquid thickness needs to be measured. Incorrect assembly may result in a too-thick liquid, while a too-thin liquid may indicate the absence of liquid, such as when a bubble is formed. Finally, the protocol explains how images are taken and how dynamic processes can be studied. A sample containing AuNPs is imaged both in pure water and in saline.

This protocol describes the operation of a liquid flow specimen holder for scanning transmission electron microscopy of AuNPs in water, as used for the observation of nanoscale dynamic processes.

El estudio de procesos dinámicos de nano-objetos de tamaño en el líquido de utilizar el escaneado Microscopía Electrónica de Transmisión

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

Experimental Implementation of a New Composite Fabrication Method: Exposing Bare Fibers on the Composite Surface by the Soft Layer Method

The bipolar plate is a key component in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and vanadium redox flow batteries (VRFBs). It is a multi-functional component that should have high electrical conductivity, high mechanical properties, and high productivity.
In this regard, a carbon fiber/epoxy resin composite can be an ideal material to replace the conventional graphite bipolar plate, which often leads to the catastrophic failure of the entire system because of its inherent brittleness. Though the carbon/epoxy composite has high mechanical properties and is easy to manufacture, the electrical conductivity in the through-thickness direction is poor because of the resin-rich layer that forms on its surface. Therefore, an expanded graphite coating was adopted to solve the electrical conductivity issue. However, the expanded graphite coating not only increases the manufacturing costs but also has poor mechanical properties.
In this study, a method to expose fibers on the composite surface is demonstrated. There are currently many methods that can expose fibers by surface treatment after the fabrication of the composite. This new method, however, does not require surface treatment because the fibers are exposed during the manufacture of the composite. By exposing bare carbon fibers on the surface, the electrical conductivity and mechanical strength of the composite are increased drastically.

A protocol to expose bare fibers on the composite surface by eliminating resin rich area is presented. The fibers are exposed during fabrication of the composites, not by the post surface treatment. The exposed carbon composites exhibit high electrical conductivity in the through-thickness direction and high mechanical property.

Implementación experimental de un nuevo método de fabricación compuesto: exponer desnudas fibras en la superficie del compuesto por el método de capa suave

The bipolar plate is a key component in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and vanadium redox flow batteries (VRFBs). It is a multi-functional ...

Synchrotron X-ray Microdiffraction and Fluorescence Imaging of Mineral and Rock Samples

In this report, we describe a detailed procedure for acquiring and processing&#160;x-ray microfluorescence (&#956;XRF), and Laue and powder microdiffraction two-dimensional (2D) maps at beamline 12.3.2 of the Advanced Light Source (ALS), Lawrence Berkeley National Laboratory. Measurements can be performed on any sample that is less than 10 cm x 10 cm x 5 cm, with a flat exposed surface. The experimental geometry is calibrated using standard materials (elemental standards for XRF, and crystalline samples such as Si, quartz, or Al2O3 for diffraction). Samples are aligned to the focal point of the x-ray microbeam, and raster scans are performed, where each pixel of a map corresponds to one measurement, e.g., one XRF spectrum or one diffraction pattern. The data are then processed using the in-house developed software XMAS, which outputs text files, where each row corresponds to a pixel position. Representative data from moissanite and an olive snail shell are presented to demonstrate data quality, collection, and analysis strategies.

We describe a beamline setup meant to carry out rapid two-dimensional x-ray fluorescence and x-ray microdiffraction mapping of single crystal or powder samples using either Laue (polychromatic radiation) or powder (monochromatic radiation) diffraction. The resulting maps give information about strain, orientation, phase distribution, and plastic deformation.