De synthese van tantaal- en hafniumoxide nanodeeltjes als pinningcentra in supergeleiders
Nanodeeltjes versus Energieschaarste
=
David versus Goliath
Een blik op de toekomst zonder fossiele brandstoffen
Energie is het fundament waarop elke vorm van leven of technologie gebaseerd is. Onze klassieke energiebronnen belasten echter het milieu en geraken stilaan uitgeput. Een duurzame energievoorziening vormt dus één van de grootste uitdagingen van de 21ste eeuw. Verschillende oplossingen worden naar voren geschoven en nanotechnologie speelt daarin vaak een belangrijke rol.
Ten eerste biedt waterstofgas een waardig alternatief voor fossiele brandstoffen. Alleen, de duurzame productie ervan is nog steeds een probleem. Kleine nanodeeltjes – 1 nanometer is 1 miljardste van een meter – kunnen dit verhelpen.
Ten tweede, om elektriciteit - één van de belangrijkste energiedragers - in de toekomst zonder energieverliezen te transporteren of op te slaan, zijn supergeleiders een vereiste. Deze materialen geleiden de stroom zonder er weerstand aan te bieden. Door nanodeeltjes te mengen met de supergeleiders worden deze laatste bruikbaar voor praktische toepassingen.
In deze scriptie werd onderzoek verricht naar milieuvriendelijke productiemethoden voor nanodeeltjes die kunnen toegepast worden in de waterstofproductie enerzijds of in supergeleiders anderzijds.
Water splitsen met behulp van nanodeeltjes
Energie is pas nuttig wanneer ze een bruikbare vorm aanneemt, bijvoorbeeld aardolie. Olie kan gemakkelijk aangewend worden als brandstof voor motoren maar de voorraden slinken. Om een duurzame energievoorziening te waarborgen moeten we leren de hernieuwbare energie rondom ons (wind, zon, enz.) om te zetten in bruikbare energie. Naast zonnecellen, die elektriciteit produceren, bestaan er ook materialen die zonlicht gebruiken om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Waterstofgas kan dan als brandstof dienst doen, bijvoorbeeld in de auto. De voordelen voor het milieu zijn talrijk: de uitlaatgassen bestaan enkel uit waterdamp en er is geen uitstoot van roet, broeikasgassen of smogvormende chemicaliën.
Om het splitsen van water zo efficiënt mogelijk te laten verlopen, moet er zoveel mogelijk contactoppervlak gevormd worden tussen het actief splitsingsmateriaal en het water. Nanodeeltjes behoren hiervoor tot de absolute top. Ter illustratie, het totaaloppervlak van 1 kilogram nanodeeltjes (met een diameter van 3 nanometer) kan oplopen tot 40 voetbalvelden! Nanodeeltjes bieden dus een gigantisch contactoppervlak en zijn daarom ideaal voor waterstofproductie.
Een waardevol materiaal om water te splitsen is tantaaloxynitride (chemische formule: TaON). Wij hebben TaON deeltjes gemaakt met een diameter van 2 nanometer. De reactie was afgelopen in slechts 10 minuten, in tegenstelling tot de bestaande methoden die 3 dagen in beslag nemen! Deze opmerkelijke prestatie was mogelijk door het waterige reactiemengsel in de microgolfoven te laten reageren. Net zoals bij het opwarmen van eten, verlopen chemische reacties vaak sneller met microgolfverwarming dan met gebruikelijke verwarmingstechnieken. Hoe minder lang een reactie duurt, hoe minder energie er nodig is om de deeltjes te maken. De nanodeeltjes worden op dit moment verder getest op hun watersplitsende eigenschappen.
De rol van nanodeeltjes bij duurzaam elektriciteitstransport en -opslag
De meest voorkomende vorm van energie is nog steeds elektriciteit. Daarom zetten technieken zoals windturbines en zonnecellen de omgevingsenergie rechtstreeks om in elektriciteit. De huidige, koperen geleiders kunnen elektriciteit echter niet transporteren zonder grote energieverliezen (door warmteontwikkeling). Nochtans is transport onvermijdelijk omdat de plaats van opwekking niet gelijk is aan de plaats van verbruik. Supergeleiders kunnen de elektrische stroom echter wél transporteren zonder energieverliezen omdat ze geen weerstand bieden aan de stroom.
Bovendien is het met deze fascinerende technologie ook mogelijk om de stroomproductie via zonnecellen en windturbines te stabiliseren. Op zonnige dagen met een strakke wind produceren beide technieken veel stroom, maar op windstille, grijze dagen laten ze het afweten. Dit zou in de toekomst kunnen leiden tot stroompannes. Daarom is het belangrijk om de pieken en dalen van de stroomproductie op te vangen. Supergeleidende systemen kunnen elektrische energie efficiënt opslaan bij overproductie en afgeven bij onderproductie.
De eerste generatie supergeleiders heeft het nadeel dat ze gekoeld moet worden met vloeibare helium (-269 °C). Helium is echter schaars en erg duur. De nieuwe, Hoge Temperatuur Supergeleiders, werken daarentegen bij temperaturen van vloeibare stikstof (-196 °C). Een liter vloeibare stikstof is goedkoper dan een liter cola en koeling is dus veel goedkoper dan bij de eerste generatie.
Bij het praktisch gebruik van de Hoge Temperatuur Supergeleiders ontstaan er echter supergeleidende wervelstromen, vergelijkbaar met tornado’s. Deze supergeleidende tornado’s zijn slechts 3 nanometer in diameter. Ze bewegen doorheen het supergeleidende materiaal en vernietigen op hun weg alle supergeleiding. Dit kan opgelost worden door het inbrengen van nanodeeltjes. Deze deeltjes zijn in staat de supertornado’s gevangen te houden zodat het materiaal supergeleidend blijft.
Voor dit onderzoek werden twee materialen geselecteerd op basis van hun chemische en fysische eigenschappen; tantaaloxide (Ta2O5) en hafniumoxide (HfO2). De eisen die aan de nanodeeltjes van deze materialen gesteld worden, zijn hoog. Ze moeten in staat zijn om de extreme condities tijdens de productie van de supergeleider te overleven, ze mogen niet groter zijn dan 10 nanometer en hun atomen moeten perfect gerangschikt staan in een rooster.
We hebben verschillende methodes getest om deze nanodeeltjes te produceren. Er werd hierbij steeds gestreefd naar energie-efficiënte processen. Uiteindelijk vormden zich geschikte deeltjes van hafniumoxide in een afgesloten stalen cilinder, onder hoge druk en bij 220 °C. Wederom verliep de reactie veel sneller door de microgolfoven te gebruiken. Uitstekende deeltjes van tantaaloxide werden verkregen door injectie van reagentia in een heet zeepmengsel. Net zoals zeep in staat is om vuil op te lossen en te omhullen, kunnen zeepmoleculen de nanodeeltjes bedekken zodat ze niet aan elkaar kleven. Zowel de hafniumoxide- als de tantaaloxidedeeltjes werden gemengd met een oplossing, waarin de bouwstenen voor de supergeleider reeds aanwezig zijn. Deze oplossing ondergaat in een oven de transformatie naar de supergeleider. De stroomdragende eigenschappen van de supergeleider zullen tijdens verder onderzoek bestudeerd worden.
BESLUIT
Het is absoluut noodzakelijk om oplossingen te vinden voor de slinkende energievoorraden. Nanotechnologie kan aangewend worden bij het omzetten van omgevingsenergie in een bruikbare vorm, zoals waterstof. Daarnaast kunnen nanodeeltjes de prestaties van supergeleidende draden sterk verbeteren. Dit biedt mogelijkheden voor een efficiënt transport en opslag van elektrische energie zodat we in de toekomst de computer kunnen aanzetten, zelfs op een bewolkte en windstille dag.
Bibliografie
Hoofdstuk I. Situering
1 Gutierrez, J., Puig, T. & Obradors, X. Anisotropy and strength of vortex pinning centers in YBa2Cu3O7-x coated conductors. Appl. Phys. Lett. 90, (2007).
2 Obradors, X. et al. in Comprehensive Nanoscience and Technology - 3.10 - Nanostructured Superconductors with Efficient Vortex Pinning (eds L. Andrews David, D. Scholes Gregory, & P. Wiederrecht Gary) 303-349 (Academic Press, 2011).
3 Obradors, X. et al. Chemical solution growth of superconductors: a new path towards high critical current coated conductors. Physica C 408, 913-914, (2004).
4 Vermeir, P. et al. Fluorine-free water-based sol-gel deposition of highly epitaxial YBa2Cu3O7-delta films. Supercond. Sci. Technol. 22, (2009).
5 Harrington, S. A. et al. Self-assembled, rare earth tantalate pyrochlore nanoparticles for superior flux pinning in YBa2Cu3O7-delta films. Supercond. Sci. Technol. 22, (2009).
6 Oh, M. H. et al. Large-Scale Synthesis of Bioinert Tantalum Oxide Nanoparticles for X-ray Computed Tomography Imaging and Bimodal Image-Guided Sentinel Lymph Node Mapping. J. Am. Chem. Soc. 133, 5508-5515, (2011).
7 Bonitatibus, P. J. et al. Synthesis, characterization, and computed tomography imaging of a tantalum oxide nanoparticle imaging agent. Chem. Commun. 46, 8956-8958, (2010).
8 Parraud, S., Hubertpfalzgraf, L. G. & Floch, H. G. Stabilization and characterization of nanosized niobium and tantalum oxide sols - optical applications for high-power lasers. J. Am. Ceram. Soc. 75, 2289-2292, (1992).
9 Sanada, T. et al. Preparation of Eu3+-doped Ta2O5 phosphor particles by sol-gel method. Opt. Mater. 33, 164-169, (2010).
10 Kominami, H. et al. Solvothermal synthesis of tantalum(V) oxide nanoparticles and their photocatalytic activities in aqueous suspension systems. Phys. Chem. Chem. Phys. 3, 2697-2703, (2001).
11 Huang, H. C. & Hsieh, T. E. Preparation and Characterizations of Tantalum Pentoxide (Ta2O5) Nanoparticles and UV-Curable Ta2O5-Acrylic Nanocomposites. J. Appl. Polym. Sci. 117, 1252-1259, (2010).
12 Pinna, N., Garnweitner, G., Antonietti, M. & Niederberger, M. Non-aqueous synthesis of high-purity metal oxide nanopowders using an ether elimination process. Adv. Mater. 16, 2196-+, (2004).
13 Buha, J., Arcon, D., Niederberger, M. & Djerdj, I. Solvothermal and surfactant-free synthesis of crystalline Nb2O5, Ta2O5, HfO2, and Co-doped HfO2 nanoparticles. Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 15537-15543, (2010).
14 Tang, J. et al. Solid-solution nanopartieles: Use of a nonhydrolytic sol-gel synthesis to prepare HfO2 and HfxZr1-xO2 nanocrystals. Chem. Mat. 16, 1336-1342, (2004).
15 Kovalenko, M. V. et al. Fatty acid salts as stabilizers in size- and shape-controlled nanocrystal synthesis: The case of inverse spinel iron oxide. J. Am. Chem. Soc. 129, 6352-+, (2007).
16 Abe, S., Capek, R. K., De Geyter, B. & Hens, Z. Tuning the Postfocused Size of Colloidal Nanocrystals by the Reaction Rate: From Theory to Application. ACS Nano 6, 42-53, (2012).
17 Van Driessche, I. Course Text: Superconducting Materials. (2011-2012).
18 Onnes, H. K. Further experiments with Liquid Helium G. On the electrical resistance of Pure Metals etc. On the Sudden Change in the Rate at which the Resistance of Mercury Disappears. Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences, 818-821, (1911-1912).
19 De Keukeleere, K. De studie en ontwikkeling van BaZrO3 oplossingen, suspensies en inkten, Universiteit Gent, (2011).
20 Hofmann, P. (2011).
21 Hens, Z., Vandervoort, P. & Van Driessche, I. Solid State Chemistry. (2010-2011).
22 Cloet, V. et al. A Water-Based Sol-Gel Precursor for Deposition of Thin La2Zr2O7 Layers on Ni-W Substrates. IEEE Trans. Appl. Supercond. 19, 3467-3470, (2009).
23 Thuy, T. T. et al. Novel water based cerium acetate precursor solution for the deposition of epitaxial cerium oxide films as HTSC buffers. J. Sol-Gel Sci. Technol. 51, 112-118, (2009).
24 Matsumoto, K. & Mele, P. Artificial pinning center technology to enhance vortex pinning in YBCO coated conductors. Supercond. Sci. Technol. 23, (2010).
25 Obradors, X. et al. Nanostructured Superconductors with efficient vortex pinning. (2011).
26 Mele, P. et al. Ultra-high flux pinning properties of BaMO3-doped YBa2Cu3O7-x thin films (M = Zr, Sn). Supercond. Sci. Technol. 21, (2008).
27 Gutierrez, J. et al. Strong isotropic flux pinning in solution-derived YBa2Cu3O7-x nanocomposite superconductor films. Nat. Mater. 6, 367-373, (2007).
28 Blatter, G., Geshkenbein, V. B. & Larkin, A. I. From isotropic to anisotropic superconductors - a scaling approach. Phys. Rev. Lett. 68, 875-878, (1992).
29 Civale, L. et al. Angular-dependent vortex pinning mechanisms in YBa2Cu3O7 coated conductors and thin films. Appl. Phys. Lett. 84, 2121-2123, (2004).
30 Puig, T. et al. Vortex pinning in chemical solution nanostructured YBCO films. Supercond. Sci. Technol. 21, (2008).
31 Chen, Y. M. et al. Enhanced flux pinning by BaZrO3 and (Gd,Y)2O3 nanostructures in metal organic chemical vapor deposited GdYBCO high temperature superconductor tapes. Appl. Phys. Lett. 94, (2009).
32 Zhang, Y. et al. Magnetic field orientation dependence of flux pinning in (Gd,Y)Ba2Cu3O7-x coated conductor with tilted lattice and nanostructures. Physica C 469, 2044-2051, (2009).
33 Selvamanickam, V. et al. Influence of Zr and Ce doping on electromagnetic properties of (Gd,Y)-Ba-Cu-O superconducting tapes fabricated by metal organic chemical vapor deposition. Physica C 469, 2037-2043, (2009).
34 Grey, I. E., Mumme, W. G. & Roth, R. S. The crystal chemistry of L-Ta2O5 and related structures. J. Solid State Chem. 178, 3308-3314, (2005).
35 Meyer, R. J. et al. Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie - Tantal teil B 1 8edn, (1970).
36 Sreethawong, T., Ngamsinlapasathian, S., Suzuki, Y. & Yoshikawa, S. Nanocrystalline mesoporous Ta2O5-based photocatalysts prepared by surfactant-assisted templating sol-gel process for photocatalytic H2 evolution. J. Mol. Catal. A-Chem. 235, 1-11, (2005).
37 Pollard, K. D. & Puddephatt, R. J. Chemical vapor deposition of tantalum oxide from tetraethoxo(beta-diketonato)tantalum(V) complexes. Chem. Mat. 11, 1069-1074, (1999).
38 Andreoni, W. & Pignedoli, C. A. Ta2O5 polymorphs: Structural motifs and dielectric constant from first principles. Appl. Phys. Lett. 96, (2010).
39 Ramprasad, R. First principles study of oxygen vacancy defects in tantalum pentoxide. J. Appl. Phys. 94, 5609-5612, (2003).
40 Sawada, H. & Kawakami, K. Electronic structure of oxygen vacancy in Ta2O5. J. Appl. Phys. 86, 956-959, (1999).
41 Devan, R. S. et al. High room-temperature photoluminescence of one-dimensional Ta2O5 nanorod arrays. Nanotechnology 20, (2009).
42 Devan, R. S. et al. Enhancement of green-light photoluminescence of Ta2O5 nanoblock stacks. Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 13441-13446, (2011).
43 Yang, X. et al. Enhanced photocatalytic activity of Eu2O3/Ta2O5 mixed oxides on degradation of rhodamine B and 4-nitrophenol. Colloid Surf. A-Physicochem. Eng. Asp. 320, 61-67, (2008).
44 Aleshina, L. A. & Loginova, S. V. Rietveld analysis of X-ray diffraction pattern from beta-Ta2O5 oxide. Crystallogr. Rep. 47, 415-419, (2002).
45 Chaneliere, C., Autran, J. L., Devine, R. A. B. & Balland, B. Tantalum pentoxide (Ta2O5) thin films for advanced dielectric applications. Mater. Sci. Eng. R-Rep. 22, 269-322, (1998).
46 Wilk, G. D., Wallace, R. M. & Anthony, J. M. High-kappa gate dielectrics: Current status and materials properties considerations. J. Appl. Phys. 89, 5243-5275, (2001).
47 Johnson, L. F., Klemm, K. A. & Moran, M. B. Anti-reflection and anti-oxidation coatings for diamond. (1992).
48 Polyanskiy, M. Refractive Index.info, (2012).
49 Vanýsek, P. Standard thermodynamic properties of chemical substances. (CRC PRESS LLC, 2000).
50 Vanýsek, P. Electrochemical Series. (CRC PRESS LLC, 2000).
51 Tepehan, F. Z., Ghodsi, F. E., Ozer, N. & Tepehan, G. G. Optical properties of sol-gel dip-coated Ta2O5 films for electrochromic applications. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 59, 265-275, (1999).
52 Zhu, Z. F. et al. Preparation and performances of nanosized Ta2O5 powder photocatalyst. J. Solid State Chem. 178, 224-229, (2005).
53 Huang, J. H. et al. Layer-by-Layer Assembly of TaO3 Nanosheet/Polycation Composite Nanostructures: Multilayer Film, Hollow Sphere, and Its Photocatalytic Activity for Hydrogen Evolution. Chem. Mat. 22, 2582-2587, (2010).
54 Kammlott, G. W., Tiefel, T. H. & Jin, S. Recovery of 90 K superconductivity in transition-metal-doped Y-Ba-Cu-O. Appl. Phys. Lett. 56, 2459-2461, (1990).
55 Wee, S. H. et al. Phase Stability of Cubic Pyrochlore Rare Earth Tantalate Pinning Additives in YBa2Cu3O7 Superconductor. J. Am. Ceram. Soc. 1-4, (2012).
56 Williams, P. A. et al. Growth of hafnium dioxide thin films by liquid-injection MOCVD using alkylamide and hydroxylamide precursors. Chem. Vapor Depos. 9, 309-314, (2003).
57 Zhao, X. Y. & Vanderbilt, D. First-principles study of structural, vibrational, and lattice dielectric properties of hafnium oxide. Phys. Rev. B 65, (2002).
58 Koshy, J. et al. The structural and superconducting properties of the YBa2Cu3O7-delta -HfO2 system. J. Appl. Phys. 73, 3402-3406, (1993).
59 John, A. M. et al. Barium rare-earth hafnates: Synthesis, characterization, and potential use as substrates for YBa2Cu3O7-delta superconductor. J. Am. Ceram. Soc. 82, 1421-1424, (1999).
60 Llordes, A. et al. Nanoscale strain-induced pair suppression as a vortex pinning mechanism in high-temperature superconductors. in press.
Hoofdstuk II. De chemie van tantaal
1 Pierre, A. C. Introduction to sol-gel processing. (Kluwer Academic Publishers, 2002).
2 Van Werde, K. De realisatie en de optimalisering van de waterige oplossing-gel methode voor de bereiding van perovskiet PZN en gedopeerde PZN verbindingen, Universiteit Hasselt, (2003).
3 Van Driessche, I. Algemene Chemie, deel I. (2007-2008).
4 Brinker, C. J. & Scherer, G. W. The physics and chemistry of sol-gel processing. (ACADEMIC PRESS. INC., 1990).
5 Van Deun, R. d en f block coordination chemistry. (2010-2011).
6 Bradley, D. C. & Holloway, H. Metal oxide alkoxide polymers .4. hydrolysis of some tantalum alkoxides. Can. J. Chem.-Rev. Can. Chim. 40, 62-&, (1962).
7 Bradley, D. C. & Holloway, H. Metal oxide alkoxide polymers .2. hydrolysis of tantalum pentaethoxide. Can. J. Chem.-Rev. Can. Chim. 39, 1818-&, (1961).
8 Lassner, E. & Puschel, R. Zur chemie der wassrigen losungen von niob und tantala. Journal of the Less-Common Metals 12, 146-&, (1967).
9 Aveston, J. & Johnson, J. S. Hydrolysis of tantalum(5) - equilibrium ultracentrifugation + raman spectra of potassium tantalate. Inorg. Chem. 3, 1051-&, (1964).
10 Etxebarria, N., Fernandez, L. A. & Madariaga, J. M. On the hydrolysis of niobium(V) and tantalum(V) in 3-mol dm-3 KCl at 25-degrees-C .1. construction of a thermodynamic model for Nb-V. J. Chem. Soc.-Dalton Trans., 3055-3059, (1994).
11 Peiffert, C. et al. Solubility of B-Nb2O5 and the Hydrolysis of Niobium(V) in Aqueous Solution as a Function of Temperature and Ionic Strength. J. Solut. Chem. 39, 197-218, (2010).
12 Paulus, W. et al. Extraction of the fluoride, chloride and bromide complexes of the elements Nb, Ta, Pa, and 105 into aliphatic amines. J. Alloy. Compd. 271, 292-295, (1998).
13 Turova, N. Y. et al. Tantalum(V) alkoxides: Electrochemical synthesis, mass-spectral investigation and oxoalkoxocomplexes. Polyhedron 15, 3869-3880, (1996).
14 Phule, P. P. Sol-gel synthesis of ferroelectric lithium tantalate ceramics - FTIR investigation of the molecular modification of tantalum ethoxide. J. Mater. Res. 8, 334-338, (1993).
15 Krishnan, V. et al. Structural investigations on the hydrolysis and condensation behavior of pure and chemically modified alkoxides. 1. Transition metal (Hf and Ta) alkoxides. J. Phys. Chem. B 111, 7501-7518, (2007).
16 Kapoor, R. N., Prakash, S. & Kapoor, P. N. Organic compounds of niobium and tantalum. reactions of niobium and tantalum pentaethoxides with dibenzoylmethane. Bull. Chem. Soc. Jpn. 40, 1384-&, (1967).
17 Pollard, K. D. & Puddephatt, R. J. Chemical vapor deposition of tantalum oxide from tetraethoxo(beta-diketonato)tantalum(V) complexes. Chem. Mat. 11, 1069-1074, (1999).
18 Mehrotra, R. C. & Kapoor, P. N. Organic compounds of niobium and tantalum - alcoholysis reactions of niobium and tantalum penta-alkoxides. Journal of the Less-Common Metals 10, 354-&, (1966).
19 Mehrotra, R. C. & Kapoor, P. N. Organic compounds of tantalum - reactions of tantalum penta-ethoxide with glycols. Journal of the Less-Common Metals 10, 237-&, (1966).
20 Mehrotra, R. C. & Kapoor, P. N. Organic compounds of niobium .v. reaction of niobium pentaethoxide with glycols. Journal of the Less-Common Metals 8, 419-&, (1965).
21 Donat, M., Seisenbaeva, G. A. & Kessler, V. G. Synthesis of highly sterically hindered niobium and tantalum alkoxides and their microhydrolysis in strongly basic medium. J. Sol-Gel Sci. Technol. 48, 61-65, (2008).
22 Boyle, T. J. et al. Catechol derivatives of Group 4 and 5 compounds. Polyhedron 24, 1143-1152, (2005).
23 Antonelli, D. M. & Ying, J. Y. Synthesis and characterization of hexagonally packed mesoporous tantalum oxide molecular sieves. Chem. Mat. 8, 874-881, (1996).
24 Sreethawong, T., Ngamsinlapasathian, S., Suzuki, Y. & Yoshikawa, S. Nanocrystalline mesoporous Ta2O5-based photocatalysts prepared by surfactant-assisted templating sol-gel process for photocatalytic H2 evolution. J. Mol. Catal. A-Chem. 235, 1-11, (2005).
25 Kessler, V. G. et al. New insight in the role of modifying ligands in the sol-gel processing of metal alkoxide precursors: A possibility to approach new classes of materials. J. Sol-Gel Sci. Technol. 40, 163-179, (2006).
26 Agrawal, M. et al. Synthesis of novel tantalum oxide sub-micrometer hollow spheres with tailored shell thickness. Langmuir 24, 1013-1018, (2008).
27 Tepehan, F. Z., Ghodsi, F. E., Ozer, N. & Tepehan, G. G. Optical properties of sol-gel dip-coated Ta2O5 films for electrochromic applications. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 59, 265-275, (1999).
28 Kim, N. & Stebbins, J. F. Structure of Amorphous Tantalum Oxide and Titania-Doped Tantala: 17O NMR Results for Sol-Gel and Ion-Beam-Sputtered Materials. Chem. Mat. 23, 3460-3465, (2011).
29 Parraud, S., Hubertpfalzgraf, L. G. & Floch, H. G. Stabilization and characterization of nanosized niobium and tantalum oxide sols - optical applications for high-power lasers. J. Am. Ceram. Soc. 75, 2289-2292, (1992).
30 Oh, M. H. et al. Large-Scale Synthesis of Bioinert Tantalum Oxide Nanoparticles for X-ray Computed Tomography Imaging and Bimodal Image-Guided Sentinel Lymph Node Mapping. J. Am. Chem. Soc. 133, 5508-5515, (2011).
31 Marchetti, F., Pampaloni, G. & Zacchini, S. Complexes of niobium(V) and tantalum(V) halides with ligands that contain N-C = O and P = O functionalities: A synthetic and structural study. Eur. J. Inorg. Chem., 453-462, (2008).
32 Walter, J. The decomposition of TaCl5-graphite flakes by long-time exposure in water and air. Synth. Met. 89, 39-45, (1997).
33 Kraft, T. & Walter, J. Raman spectroscopic investigation of TaCl5-GIC and products of its partial hydrolysis. Solid State Commun. 111, 119-124, (1999).
34 Il'in, E. G., Zozulin, A. N. & Buslaev, Y. A. 17O NMR estimation of oxygen-central ion bonding in the products of hydrolysis of niobium, tantalum, arsenic, and antimony pentafluorides and the symbatic behavior of 17O and 19F NMR chemical shifts. Dokl. Phys. Chem. 384, 109-112, (2002).
35 Petrykin, V. et al. Synthesis and structure of new water-soluble and stable tantalum compound: Ammonium tetralactatodiperoxo-mu-oxo-ditantalate(V). Inorg. Chem. 45, 9251-9256, (2006).
36 Bayot, D. & Devillers, M. Peroxo complexes of niobium(V) and tantalum(V). Coord. Chem. Rev. 250, 2610-2626, (2006).
37 Puschel, R. & Lassner, E. Uber peroxo-mischkomplexe von titan, niob und tantal .1. das sorptionsverhalten von titan, niob und tantal an dowex a-l in gegenwart von wasserstoffperoxid und von verschiedenen chelonen. Z. Anorg. Allg. Chem. 326, 317-330, (1964).
38 Lassner, E. & Puschel, R. Uber peroxo-mischkomplexe von titan, niob und tantal .2. peroxo-mischkomplexe von niob und tantal mit methylthymolblau und 4-(2-pyridylazo)-resorcin und photometrische untersuchungen zum nachweis der bildung von niob- und tantal-peroxochelonaten. Mikrochimica Et Ichnoanalytica Acta, 950-&, (1963).
39 Lassner, E. & Puschel, R. Uber peroxo-mischkomplexe von titan niob und tantal .4. reaktionen von peroxotitan peroxoniob und peroxotantal mit verschiedenen metallochromen indikatoren. Mikrochimica Et Ichnoanalytica Acta, 753-&, (1964).
40 Dengel, A. C. & Griffith, W. P. Studies on transition-metal peroxo complexes .9. carboxylato peroxo complexes of niobium(V), tantalum(V), zirconium(IV) and hafnium(IV). Polyhedron 8, 1371-1377, (1989).
41 Bayot, D., Tinant, B. & Devillers, M. Spectroscopic and structural characterizations of novel water-soluble tetraperoxo and diperoxo polyaminocarboxylato bis(N-oxido) tantalate(V) complexes. Inorg. Chem. 43, 5999-6005, (2004).
42 Bonitatibus, P. J. et al. Synthesis, characterization, and computed tomography imaging of a tantalum oxide nanoparticle imaging agent. Chem. Commun. 46, 8956-8958, (2010).
43 Huang, H. C. & Hsieh, T. E. Preparation and Characterizations of Tantalum Pentoxide (Ta2O5) Nanoparticles and UV-Curable Ta2O5-Acrylic Nanocomposites. J. Appl. Polym. Sci. 117, 1252-1259, (2010).
44 Feldmann, C. Polyol-mediated synthesis of nanoscale functional materials. Adv. Funct. Mater. 13, 101-107, (2003).
45 Szanics, J. & Kakihana, M. A novel tantalic acid-based polymerizable complex route to LiTaO3 using neither alkoxides nor chlorides of tantalum. Chem. Mat. 11, 2760-2763, (1999).
46 Panda, A. B., Pathak, A. & Pramanik, P. Chemical synthesis of nanocrystalline strontium bismuth tantalate powders using tantalum-tartarate complex. J. Am. Ceram. Soc. 89, 737-739, (2006).
47 Li, A. D. et al. Synthesis, Characterization, and Applications of Water-Soluble Tantalum Carboxylate Precursors via a Flux Method. J. Am. Ceram. Soc. 92, 1959-1965, (2009).
Hoofdstuk III. Concepten en technieken
1 Hens, Z. Chemistry and Physics of nanostructures. (2011-2012).
2 Lamer, V. K. & Dinegar, R. H. Theory, Production and Mechanism of Formation of Monodispersed Hydrosols. J. Am. Chem. Soc. 72, (1950).
3 Colomer, M. T., Guzman, J. & Moreno, R. Determination of peptization time of particulate sols using optical techniques: Titania as a case study. Chem. Mat. 20, 4161-4165, (2008).
4 Hens, Z., Vandervoort, P. & Van Driessche, I. Solid State Chemistry. (2010-2011).
5 De Keukeleere, K. De studie en ontwikkeling van BaZrO3 oplossingen, suspensies en inkten, Universiteit Gent, (2011).
6 Niederberger, M., Pinna, N., Polleux, J. & Antonietti, M. A general soft-chemistry route to perovskites and related materials: Synthesis of BaTiO3, BaZrO3, and LiNbO3 nanoparticles. Angew. Chem.-Int. Edit. 43, 2270-2273, (2004).
7 Niederberger, M., Garnweitner, G., Pinna, N. & Antonietti, M. Nonaqueous and halide-free route to Crystalline BaTiO3, SrTiO3, and (Ba,Sr)TiO3 nanoparticles via a mechanism involving C-C bond formation. J. Am. Chem. Soc. 126, 9120-9126, (2004).
8 Bilecka, I., Djerdj, I. & Niederberger, M. One-minute synthesis of crystalline binary and ternary metal oxide nanoparticles. Chem. Commun., 886-888, (2008).
9 Pinna, N., Neri, G., Antonietti, M. & Niederberger, M. Nonaqueous synthesis of nanocrystalline semiconducting metal oxides for gas sensing. Angew. Chem.-Int. Edit. 43, 4345-4349, (2004).
10 Niederberger, M. et al. Nonaqueous synthesis of metal oxide nanoparticles: Review and indium oxide as case study for the dependence of particle morphology on precursors and solvents. J. Sol-Gel Sci. Technol. 40, 259-266, (2006).
11 Niederberger, M., Bard, M. H. & Stucky, G. D. Benzyl alcohol and transition metal chlorides as a versatile reaction system for the nonaqueous and low-temperature synthesis of crystalline nano-objects with controlled dimensionality. J. Am. Chem. Soc. 124, 13642-13643, (2002).
12 Niederberger, M., Bartl, M. H. & Stucky, G. D. Benzyl alcohol and titanium tetrachloride - A versatile reaction system for the nonaqueous and low-temperature preparation of crystalline and luminescent titania nanoparticles. Chem. Mat. 14, 4364-4370, (2002).
13 Pinna, N. et al. Magnetite nanocrystals: Nonaqueous synthesis, characterization, and solubility. Chem. Mat. 17, 3044-3049, (2005).
14 Pinna, N., Antonietti, M. & Niederberger, M. A novel nonaqueous route to V2O3 and Nb2O5 nanocrystals. Colloid Surf. A-Physicochem. Eng. Asp. 250, 211-213, (2004).
15 Buha, J., Arcon, D., Niederberger, M. & Djerdj, I. Solvothermal and surfactant-free synthesis of crystalline Nb2O5, Ta2O5, HfO2, and Co-doped HfO2 nanoparticles. Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 15537-15543, (2010).
16 Pinna, N., Garnweitner, G., Antonietti, M. & Niederberger, M. Non-aqueous synthesis of high-purity metal oxide nanopowders using an ether elimination process. Adv. Mater. 16, 2196-+, (2004).
17 Niederberger, M. et al. Tailoring the surface and solubility properties of nanocrystalline titania by a nonaqueous in situ functionalization process. Chem. Mat. 16, 1202-1208, (2004).
18 Murray, C. B., Norris, D. J. & Bawendi, M. G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (e = S, Se, Te) semiconductor nanocrystallites. J. Am. Chem. Soc. 115, 8706-8715, (1993).
19 Abe, S., Capek, R. K., De Geyter, B. & Hens, Z. Tuning the Postfocused Size of Colloidal Nanocrystals by the Reaction Rate: From Theory to Application. ACS Nano 6, 42-53, (2012).
20 Park, J. et al. Ultra-large-scale syntheses of monodisperse nanocrystals. Nat. Mater. 3, 891-895, (2004).
21 Kwon, S. G. et al. Kinetics of monodisperse iron oxide nanocrystal formation by "heating-up" process. J. Am. Chem. Soc. 129, 12571-12584, (2007).
22 Lidstrom, P., Tierney, J., Wathey, B. & Westman, J. Microwave assisted organic synthesis - a review. Tetrahedron 57, 9225-9283, (2001).
23 Hens, Z. Fysische Chemie - chemische thermodynamica. (2007).
24 Madder, A. Trends in Organic Chemistry. (2010-2011).
25 Kappe, C. O. & Stadler, A. Microwaves in Organic and Medicinal Chemistry. (WILEY-VCH 2005).
26 MicrowaveTec. Interaction of microwave irradiation with material, <http://www.microwavetec.com/theor_basics.php> (2009).
27 Loupy, A. Microwaves in Organic Synthesis. (WILEY - VCH, 2006).
Hoofdstuk IV. De synthese van nanopartikels
1 Schoeller, W. R. The analytical chemistry of tantalum and niobium: the analysis of their minerals and the application of tannin in gravimetric analysis., (Chapman and Hall, 1937).
2 Meyer, R. J. et al. Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie - Tantal teil B 1 8edn, (1970).
3 Strijckmans, K. Analytische Chemie: beginselen. 226-228 (2008).
4 Lassner, E. & Puschel, R. Zur chemie der wassrigen losungen von niob und tantala. Journal of the Less-Common Metals 12, 146-&, (1967).
5 Szanics, J. & Kakihana, M. A novel tantalic acid-based polymerizable complex route to LiTaO3 using neither alkoxides nor chlorides of tantalum. Chem. Mat. 11, 2760-2763, (1999).
6 Li, A. D. et al. Synthesis, Characterization, and Applications of Water-Soluble Tantalum Carboxylate Precursors via a Flux Method. J. Am. Ceram. Soc. 92, 1959-1965, (2009).
7 Aveston, J. & Johnson, J. S. Hydrolysis of tantalum(5) - equilibrium ultracentrifugation + raman spectra of potassium tantalate. Inorg. Chem. 3, 1051-&, (1964).
8 Wang, Y. Q. et al. Microwave-assisted fabrication of PS@CdS core-shell nanostructures and CdS hollow spheres. Chem. Lett. 36, 674-675, (2007).
9 Huang, J. F., Xia, C. K., Cao, L. Y. & Zeng, X. R. Facile microwave hydrothermal synthesis of zinc oxide one-dimensional nanostructure with three-dimensional morphology. Mater. Sci. Eng. B-Adv. Funct. Solid-State Mater. 150, 187-193, (2008).
10 De Keukeleere, K. De studie en ontwikkeling van BaZrO3 oplossingen, suspensies en inkten, Universiteit Gent, (2011).
11 Gabriel, C. et al. Dielectric parameters relevant to microwave dielectric heating. Chem. Soc. Rev. 27, 213-223, (1998).
12 Ho, C. T. et al. Formation of Sol-Gel-Derived TaOxNy Photocatalysts. Chem. Mat. 23, 4721-4725, (2011).
13 Ito, S. et al. Highly active meso-microporous TaON photocatalyst driven by visible light. Chem. Commun., 268-270, (2005).
14 Uekawa, N. et al. Low-temperature synthesis of niobium oxide nanoparticles from peroxo niobic acid sol. J. Colloid Interface Sci. 264, 378-384, (2003).
15 Pinna, N., Garnweitner, G., Antonietti, M. & Niederberger, M. Non-aqueous synthesis of high-purity metal oxide nanopowders using an ether elimination process. Adv. Mater. 16, 2196-+, (2004).
16 Buha, J., Arcon, D., Niederberger, M. & Djerdj, I. Solvothermal and surfactant-free synthesis of crystalline Nb2O5, Ta2O5, HfO2, and Co-doped HfO2 nanoparticles. Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 15537-15543, (2010).
17 Niederberger, M., Garnweitner, G., Pinna, N. & Antonietti, M. Nonaqueous and halide-free route to Crystalline BaTiO3, SrTiO3, and (Ba,Sr)TiO3 nanoparticles via a mechanism involving C-C bond formation. J. Am. Chem. Soc. 126, 9120-9126, (2004).
18 Vioux, A. Nonhydrolytic sol-gel routes to oxides. Chem. Mat. 9, 2292-2299, (1997).
19 Niederberger, M. & Garnweitner, G. Organic reaction pathways in the nonaqueous synthesis of metal oxide nanoparticles. Chem.-Eur. J. 12, 7282-7302, (2006).
20 Bilecka, I., Djerdj, I. & Niederberger, M. One-minute synthesis of crystalline binary and ternary metal oxide nanoparticles. Chem. Commun., 886-888, (2008).
21 thegoodscentcompany. dibenzyl ether, <http://www.thegoodscentscompany.com/data/rw1012651.html> (
22 Mathew, D. S. & Gaikar, V. G. Solubilization of benzyl chloride and rate enhancement of its hydrolysis reaction in aqueous sodium cumenesulfonate solutions. Ind. Eng. Chem. Res. 44, 434-441, (2005).
23 Niederberger, M. et al. Tailoring the surface and solubility properties of nanocrystalline titania by a nonaqueous in situ functionalization process. Chem. Mat. 16, 1202-1208, (2004).
24 Huang, H. C. & Hsieh, T. E. Preparation and Characterizations of Tantalum Pentoxide (Ta2O5) Nanoparticles and UV-Curable Ta2O5-Acrylic Nanocomposites. J. Appl. Polym. Sci. 117, 1252-1259, (2010).
25 Kominami, H. et al. Solvothermal synthesis of tantalum(V) oxide nanoparticles and their photocatalytic activities in aqueous suspension systems. Phys. Chem. Chem. Phys. 3, 2697-2703, (2001).
26 Kovalenko, M. V. et al. Fatty acid salts as stabilizers in size- and shape-controlled nanocrystal synthesis: The case of inverse spinel iron oxide. J. Am. Chem. Soc. 129, 6352-+, (2007).
27 Kwon, S. G. et al. Kinetics of monodisperse iron oxide nanocrystal formation by "heating-up" process. J. Am. Chem. Soc. 129, 12571-12584, (2007).
28 O'Brien, S., Brus, L. & Murray, C. B. Synthesis of monodisperse nanoparticles of barium titanate: Toward a generalized strategy of oxide nanoparticle synthesis. J. Am. Chem. Soc. 123, 12085-12086, (2001).
29 Fritzinger, B. et al. Utilizing Self-Exchange To Address the Binding of Carboxylic Acid Ligands to CdSe Quantum Dots. J. Am. Chem. Soc. 132, 10195-10201, (2010).
Hoofdstuk V. De incorporatie in YBCO-precursoren
1 Vermeir, P. et al. Fluorine-free water-based sol-gel deposition of highly epitaxial YBa2Cu3O7-delta films. Supercond. Sci. Technol. 22, (2009).
2 Feys, J. et al. Ink-jet printing of YBa2Cu3O7 superconducting coatings and patterns from aqueous solutions. J. Mater. Chem. 22, 3717-3726, (2012).
3 Obradors, X. et al. in Comprehensive Nanoscience and Technology - 3.10 - Nanostructured Superconductors with Efficient Vortex Pinning (eds L. Andrews David, D. Scholes Gregory, & P. Wiederrecht Gary) 303-349 (Academic Press, 2011).
4 Obradors, X. et al. Chemical solution growth of superconductors: a new path towards high critical current coated conductors. Physica C 408, 913-914, (2004).
Appendix B. Analysetechnieken
1 Malvern. Dynamic Light Scattering: An introduction in 30 minutes.
2 Hens, Z. Molecular Physical Chemistry. (2010-2011).
3 Malvern. Zeta potential - An introduction in 30 minutes.
4 Lommens, P. Transition Metal doped ZnO Quantum Dots - synthesis, characterization and processing Universiteit Gent, (2008).
5 Depla, D. Kristalchemie: een inleiding op X-straaldiffractie. (2009-2010).
6 KULeuven. X-ray diffraction – Bruker D8 Discover, <http://fys.kuleuven.be/iks/nvsf/experimental-facilities/x-ray-diffracti…; (2010).
7 Zemlyanov, D. Introduction to X-ray Photoelectron Spectroscopy and XPS application, (2007).
8 Vanhaecke, F. Spectroscopische Analysemethoden. (2008-2009).
9 Miller, M. C. - X-Ray Fluorescence.
10 Robertson, B. What are Electron Microscopes?, <http://www.unl.edu/CMRAcfem/> (2011).
11 Williams, D. B. & Carter, C. B. Transmission Electron Microscopy, A Textbook for Materials Science. (Springer, 2009).
12 Hens, Z. Chemistry and Physics of nanostructures. (2011-2012).
13 Abe, S., Capek, R. K., De Geyter, B. & Hens, Z. Tuning the Postfocused Size of Colloidal Nanocrystals by the Reaction Rate: From Theory to Application. ACS Nano 6, 42-53, (2012).
14 Martins, J. C. Structuuranalyse. (2008-2009).
15 Bultinck, P. Kwantumchemie. (2008).
16 De Clercq, P. & Madder, A. Practicum Organische Chemie: richtlijnen en recepten. (2007-2008).
17 Sandra, P. & Lynen, F. Analytische Scheidingstechnieken. (2009-2010).
