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Results for “DER”

Search indexed NASA NTRS and DOE OSTI research on propulsion, heat transfer, battery materials and energy systems. Follow report and document links to the original sources.

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DOE OSTI2023

GMLC Technical Assistance to States

This presentation provides an overview of the U.S. Department of Energy's Grid Modernization Laboratory Consortium (GMLC) efforts to provide customized technical support specific to state public utility commissions (PUCs), specifically on the integration of distributed energy resources (DERs). The goals are to increase awareness of existing materials and support to help state PUCs move forward on DER interconnection activities, to help participants make connections to colleagues with similar challenges (and solutions), and to help the GMLC/National Renewable Energy Laboratory project team understand context and implementation challenges.

DER↗
DOE OSTI2020

Visualizing Energy Transfer at Buried Interfaces in Layered Materials Using Picosecond X-Rays

Understanding the fundamentals of nanoscale heat propagation is crucial for next-generation electronics. For instance, weak van der Waals bonds of layered materials are known to limit their thermal boundary conductance (TBC), presenting a heat dissipation bottleneck. In this paper we present a new non-destructive method to probe heat transport in nanoscale crystalline materials using time-resolved x-ray measurements of photo-induced thermal strain. This technique directly monitors time-dependent temperature changes in the crystal and the subsequent relaxation across buried interfaces by measuring changes in the c-axis lattice spacing after optical excitation. We investigate films of five different layered transition metal dichalcogenides MoX 2 [X= S, Se, Te] and WX 2 [X= S, Se] as well as graphite and a W-doped alloy of MoTe 2 , on c-plane sapphire substrates, finding TBC values in the range 10-30 MWm -2 K -1 at room temperature. In conjunction with molecular dynamics simulations, we show that the high thermal resistances are a consequence of weak interfacial van der Waals bonding and low phonon irradiance. This work paves the way for an improved understanding of thermal bottlenecks in emerging three-dimensional heterogeneously integrated technologies.

36 MATERIALS SCIENCE↗
DOE OSTI2025

Interlayer Exciton Polarons in Mesoscopic V 2 O 5 for Broadband Optoelectronic Synapses

Persistent photoconductivity and optoelectronic synaptic behavior are demonstrated in solution-processed mesoscopic α-phase vanadium pentoxide (V 2 O 5 ) thin films. First-principles simulations coupled with the two-site Holstein polaron hopping model show that vacancies at the terminal oxygen position lead to long recombination times because photoexcited electrons and holes reside on different layers separated by the van der Waals gap, forming a weakly coupled interlayer exciton polaron. Mid-gap polaronic states also significantly broaden the photoresponse of the films to span across visible and infrared wavelengths. By controlling the amplitude/intensity, duration, and/or number of optical pulses, tunable optoelectronic memory functions, such as short-term and long-term plasticity, are experimentally established in V 2 O 5 -based optoelectronic synapses. Furthermore, device fabrication was extended to mechanically flexible ultrathin glass substrates. Flexible optoelectronic synapses maintained high performance after 150 bending cycles.

Phan, Thanh Luan [National Renewable Energy Labora↗
DOE OSTI2018

Enhanced Spontaneous Polarization in Ultrathin SnTe Films with Layered Antipolar Structure

2D SnTe films with a thickness of as little as 2 atomic layers (ALs) have recently been shown to be ferroelectric with in–plane polarization. Remarkably, they exhibit transition temperatures (T c ) much higher than that of bulk SnTe. Here, combining molecular beam epitaxy, variable temperature scanning tunneling microscopy, and ab initio calculations, the underlying mechanism of the Tc enhancement is unveiled, which relies on the formation of γ–SnTe, a van der Waals orthorhombic phase with antipolar inter–layer coupling in few–AL thick SnTe films. In this phase, 4n – 2 AL (n = 1, 2, 3…) thick films are found to possess finite in–plane polarization (space group Pmn2 1 ), while 4n AL thick films have zero total polarization (space group Pnma). Above 8 AL, the γ–SnTe phase becomes metastable, and can convert irreversibly to the bulk rock salt phase as the temperature is increased. This finding unambiguously bridges experiments on ultrathin SnTe films with predictions of robust ferroelectricity in GeS–type monochalcogenide monolayers. Here, the observed high transition temperature, together with the strong spin–orbit coupling and van der Waals structure, underlines the potential of atomically thin γ–SnTe films for the development of novel spontaneous polarization–based devices.

2d ferroelectrics↗
DOE OSTI2023

Quantum Composites with Charge-Density-Wave Fillers

Here, a unique class of advanced materials—quantum composites based on polymers with fillers composed of a van der Waals quantum material that reveals multiple charge-density-wave quantum condensate phases—is demonstrated. Materials that exhibit quantum phenomena are typically crystalline, pure, and have few defects because disorder destroys the coherence of the electrons and phonons, leading to collapse of the quantum states. The macroscopic charge-density-wave phases of filler particles after multiple composite processing steps are successfully preserved in this work. The prepared composites display strong charge-density-wave phenomena even above room temperature. The dielectric constant experiences more than two orders of magnitude enhancement while the material maintains its electrically insulating properties, opening a venue for advanced applications in energy storage and electronics. The results present a conceptually different approach for engineering the properties of materials, extending the application domain for van der Waals materials.

36 MATERIALS SCIENCE↗
DOE OSTI2024

Defect‐Free Nanowelding of Bilayer SnSe Nanoplates

Nanowelding is a bottom‐up technique to create custom‐designed nanostructures and devices beyond the precision of lithographic methods. Here, a new technique is reported based on anisotropic lubricity at the van der Waals interface between monolayer and bilayer SnSe nanoplates and a graphene substrate to achieve precise control of the crystal orientation and the interface during the welding process. As‐grown SnSe monolayer and bilayer nanoplates are commensurate with graphene's armchair direction but lack commensuration along graphene's zigzag direction, resulting in a reduced friction along that direction and a rail‐like, 1D movement that permits joining nanoplates with high precision. This way, molecular beam epitaxially grown SnSe nanoplates of lateral sizes 30–100 nm are manipulated by the tip of a scanning tunneling microscope at room temperature. In situ annealing is applied afterward to weld contacting nanoplates without atomic defects at the interface. This technique can be generalized to any van der Waals interfaces with anisotropic lubricity and is highly promising for the construction of complex quantum devices, such as field effect transistors, quantum interference devices, lateral tunneling junctions, and solid‐state qubits.

2D ferroelectrics↗
DOE OSTI2023

Assembly of Arbitrary Designer Heterostructures with Atomically Clean Interfaces

Van der Waals heterostructures are an excellent platform for studying intriguing interface phenomena, such as moiré and proximity effects. Many of these phenomena occurring in such heterostructures' interfaces and surfaces have so far been hampered because of their high sensitivity to disorder and interface contamination. Here, it reports a dry polymer-based assembly technique to fabricate arbitrary designer van der Waals heterostructures with atomically clean surfaces. The key features of the suspended dry pick-up and flip-over assembly technique are: 1) the heterostructure surface never comes into contact with polymers, 2) the assemble is entirely solvent-free, 3) it is entirely performed in a glovebox, and 4) it only requires temperatures below 130 °C. By performing ambient atomic force microscopy and atomically-resolved scanning tunneling microscopy on example heterostructures, it demonstrates the fabrication of air-sensitive heterostructures with ultra-clean interfaces and surfaces. It envisions that, due to the avoidance of polymer melting, this technique is potentially compatible with heterostructure assembly under ultra-high vacuum conditions, which promises ultimate heterostructure quality.

2D materials↗
DOE OSTI2021

Unique Features of Polarization in Ferroelectric Ionic Conductors

Abstract Ferroelectrics that are also ionic conductors offer possibilities for novel applications with high tunability, especially if the same atomic species causes both phenomena. In particular, at temperatures just below the Curie temperature, polarized states may be sustainable as the mobile species is driven in a controlled way over the energy barrier that governs ionic conduction, resulting in unique control of the polarization. This possibility is recently demonstrated in CuInP 2 S 6 , a layered ferroelectric ionic conductor in which Cu ions cause both ferroelectricity and ionic conduction. Here, it is shown that the commonly used approach to calculate the polarization of evolving atomic configurations in ferroelectrics using the modern theory of polarization, namely concerted (synchronous) migration of the displacing ions, is not well suited to describe the polarization evolution as the Cu ions cross the van der Waals gaps. An asynchronous Cu‐migration scheme is introduced, which reflects the physical process by which Cu ions migrate, resolves the difficulties, and describes the polarization evolution both for normal ferroelectric switching and for transitions across the van der Waals gaps, providing a single framework to discuss ferroelectric ionic conductors.

O'Hara, Andrew↗
DOE OSTI2024

Understanding and Tuning Magnetism in Layered Ising‐Type Antiferromagnet FePSe 3 for Potential 2D Magnet

Abstract Recent developments in 2D magnetic materials have motivated the search for new van der Waals magnetic materials, especially Ising‐type magnets with strong magnetic anisotropy. Fe‐based M P X 3 ( M = transition metal, X = chalcogen) compounds such as FePS 3 and FePSe 3 both exhibit an Ising‐type magnetic order, but FePSe 3 receives much less attention compared to FePS 3 . This work focuses on establishing the strategy to engineer magnetic anisotropy and exchange interactions in this less‐explored compound. Through chalcogen and metal substitutions, the magnetic anisotropy is found to be immune against S substitution for Se whereas tunable only with heavy Mn substitution for Fe. In particular, Mn substitution leads to a continuous rotation of magnetic moments from the out‐of‐plane direction toward the in‐plane. Furthermore, the magnetic ordering temperature displays non‐monotonic doping dependence for both chalcogen and metal substitutions but due to different mechanisms. These findings provide deeper insight into the Ising‐type magnetism in this important van der Waals material, shedding light on the study of other Ising‐type magnetic systems as well as discovering novel 2D magnets for potential applications in spintronics.

2D magnet↗
DOE OSTI2015

Die Molybdän(V)‐ und Wolfram(VI)‐oxoazide [MoO(N 3 ) 3 ], [MoO(N 3 ) 3 ⋅2 CH 3 CN], [(bipy)MoO(N 3 ) 3 ], [MoO(N 3 ) 5 ] 2− , [WO(N 3 ) 4 ] und [WO(N 3 ) 4 ⋅CH 3 CN]

Abstract Eine Serie neuartiger Molybdän(V)‐ und Wolfram(VI)‐oxoazide wurde ausgehend von [MOF 4 ] (M=Mo, W) und Me 3 SiN 3 synthetisiert. Während [WO(N 3 ) 4 ] durch Fluorid‐Azid‐Austausch in der Umsetzung von Me 3 SiN 3 mit [WOF 4 ] in SO 2 ‐Lösung erhalten wurde, resultierte die Reaktion mit MoOF 4 in einer Reduktion von Mo VI zu Mo V unter Bildung von [MoO(N 3 ) 3 ]. Entsprechende Umsetzungen in Acetonitrillösung führten zur Isolierung der Addukte [MoO(N 3 ) 3 ⋅2 CH 3 CN] und [WO(N 3 ) 4 ⋅CH 3 CN]. [(bipy)MoO(N 3 ) 3 ] und [PPh 4 ] 2 [MoO(N 3 ) 5 ] konnten nach anschließenden Umsetzungen von [MoO(N 3 ) 3 ] mit 2,2′‐Bipyridin bzw. [PPh 4 ][N 3 ] isoliert werden. Die Molybdän(V)‐ und Wolfram(VI)‐oxoazide wurden schwingungsspektroskopisch, bezüglich ihrer Empfindlichkeit gegenüber Schlag, Reibung und Erhitzen, und im Fall von [WO(N 3 ) 4 ⋅CH 3 CN], [(bipy)MoO(N 3 ) 3 ] und [PPh 4 ] 2 [MoO(N 3 ) 5 ] auch durch Kristallstrukturanalysen charakterisiert.

Haiges, Ralf↗
DOE OSTI2016

Übergangsmetallcarbodiimide als molekulare negative Elektroden‐ materialien für Li‐ und Na‐Ionenbatterien mit hervorragendem Zyklisierungsverhalten

Abstract Wir weisen die elektrochemische Aktivität von Übergangsmetallcarbodiimiden gegenüber Lithium und Natrium nach. Insbesondere das Eisencarbodiimid FeNCN läßt sich effektiv als negatives Elektrodenmaterial für Alkalimetallionenbatterien verwenden, ähnlich dem Oxidanalogon FeO. Auf der Basis von 57 Fe‐Mößbauer‐ und infrarotspektroskopischen (IR) Daten kann der elektrochemische Reaktionsmechanismus bei Entladung und Beladung durch die reversible Umwandlung von Fe‐NCN‐ in Li/Na‐NCN‐Bindungen erklärt werden. Diese neuen Elektrodenmaterialien weisen höhere Kapazitäten als die etablierten negativen Referenzelektroden wie Graphit oder Hartkohlenstoff auf. Im Gegensatz zu seinem Oxidanalogon benötigt Eisencarbodiimid keine aufwendige Vorbehandlung (Nanopräparation, spezielle Texturen, Beschichtung usw.), um eine lange Lebensdauer bei Stromdichten bis zu 9 A g −1 für hunderte von Lade‐/Entladezyklen zu erreichen. Ähnlich zur Eisenverbindung können einige andere Übergangsmetallcarbodiimide M x (NCN) y mit M=Mn, Cr, Zn ebenso erfolgreich gegen Lithium und Natrium zyklisieren. Ihre elektrochemische Aktivität und Leistung öffnet den Weg zum Design einer neuartigen Klasse von Anodenmaterialien.

Sougrati, Moulay T.↗
DOE OSTI2016

Organische Reaktionen in Mikrotröpfchen: Analyse von Reaktionsbeschleunigungen durch Massenspektrometrie

Abstract Die bemerkenswerte Entdeckung, dass eine Reaktionsbeschleunigung in Lösungen mit begrenztem Volumen erfolgt, wirft ein augenscheinliches Rätsel auf. Durch Spray‐Ionisation gebildete Mikrotröpfchen können genutzt werden, um den Verlauf von Reaktionen in der Bulkphase zu verfolgen und außerdem Reaktionen zwischen den Reagentien in solch einer Reaktion zu beschleunigen. In diesem Kurzaufsatz werden Beschleunigungsphänomene in Tröpfchen und dünnen Filmen vorgestellt und moderne Methoden, die zur Untersuchung beschleunigter Reaktionen in Lösungen mit begrenztem Volumen und großer Oberfläche angewendet werden, zusammengefasst. Bedingungen, die entweder eine einfache Verfolgung oder eine Beschleunigung bestimmen, werden beim Auftreten von diskontinuierlicher und vollständiger Desolvatisierung als Endpunkt der Tropfenentwicklung abgestimmt. Die gegensätzlichen Merkmale von Reaktionen in Mikrotröpfchen und in Bulklösung werden in Verbindung mit möglichen Mechanismen, nach denen eine Reaktionsbeschleunigung in Mikrotröpfchen erfolgt, beschrieben. Derzeitige Anwendungen von Tröpfchen als Mikroreaktoren werden im Hinblick auf eine Reaktionsbeschleunigung in begrenzten Volumina und ein mögliches zukünftiges Scale‐up angeführt.

Yan, Xin↗
DOE OSTI2017

Untersuchung unabhängiger N‐H‐ und N‐C‐Bindungsverformungen auf ultrakurzen Zeitskalen mit resonanter inelastischer Röntgenstreuung

Abstract Die Femtosekundendynamik nach resonanten Photoanregungen mit optischen und Röntgenpulsen ermöglicht eine selektive Verformung von chemischen N‐H‐ und N‐C‐Bindungen in 2‐Thiopyridon in wässriger Lösung. Die Untersuchung der orbitalspezifischen elektronischen Struktur und ihrer Dynamik auf ultrakurzen Zeitskalen mit resonanter inelastischer Röntgenstreuung an der N1s‐Resonanz am Synchrotron und dem Freie‐Elektronen‐Laser LCLS in Kombination mit quantenchemischen Multikonfigurationsberechnungen erbringen den direkten Nachweis dieser kontrollierten photoinduzierten Molekülverformungen und ihrer ultrakurzen Zeitskala.

Eckert, Sebastian↗
DOE OSTI2018

Eine einfache Methode zur Produktion von Selenoproteinen

Abstract Ein einfacher Ansatz nutzt einen erweiterten genetischen Code von Escherichia coli zur Biosynthese von Selenoproteinen mit zahlreichen Sec‐Resten. Kürzlich wurden so genannte allo‐tRNAs entdeckt. Diese verfügen über eine ungewöhnliche Struktur, sind genauso effiziente Serinakzeptoren wie die normale tRNA Ser aus E. coli und werden von der Aeromonas‐salmonicida‐Selenocysteinsynthase (SelA) von Ser‐allo‐tRNA zu Sec‐allo‐tRNA umgesetzt. Anschließend ermöglicht es Sec‐allo‐tRNA, fünf UAG‐Stop‐Codons auf der fdhF‐mRNA für E.‐coli‐Formatdehydrogenase H als Sec zu translatieren und katalytisch aktive E.‐coli‐Formatdehydrogenase mit fünf Sec‐Resten in E. coli zu produzieren. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich in E. coli durch Kombination genetischer Varianten von allo‐tRNA und SelA mit einem modifizierten Selenstoffwechsel das humane Selenoenzym GPx1 mit über 80 % Sec‐Einbaurate rekombinant produzieren lässt. Beide Beispiele belegen den Wert von allo‐tRNA UTu als molekulare Plattform zur Entwicklung neuartiger Selenoproteine.

Mukai, Takahito↗
DOE OSTI2018

Supramolekulare Metallopolymere: Von linearen Materialien zu infiniten Netzwerken

Abstract Koordinationspolymere (coordination polymers, CPs) und supramolekulare Metallopolymere (supramolecular metallopolymers, SMPs) sind seit Jahrzehnten Gegenstand ausgiebiger Forschung. Spektakuläre Fortschritte in beiden Feldern haben neue Verbindungen hervorgebracht, die an der Grenze zwischen diesen beiden organisch‐anorganischen Gebieten liegen. An dieser Schnittstelle wurden Materialien entwickelt auf Basis unterschiedlicher Konzepte wie molekularem Flechten, supramolekularen Clustern und Hybriden aus Metall‐organischen Gerüstverbindungen und Polymeren. Dieser Kurzaufsatz gewährt einen Einblick in die intellektuelle Entstehung sowie die Verbindungen zwischen verschiedenen supramolekularen Konstrukten und den Stand der Wissenschaft bezüglich neuer Materialien an dieser Schnittstelle.

Bentz, Kyle C.↗
DOE OSTI2020

Untersuchung von Schwingungen in Bezug auf Spin‐Phonon‐Kopplung in Einzelmolekülmagneten mittels nuklearer inelastischer Streuung am 161 Dy‐Kern

Abstract Erstmalig wurde Synchrotron‐basierte nukleare inelastische Streuung (NIS) unter Nutzung des Mößbauer‐Isotops 161 Dy für die Untersuchung der vibronischen Eigenschaften eines Dy III ‐basierten Einzelmolekülmagneten, [Dy(Cy 3 PO) 2 (H 2 O) 5 ]Br 3 ⋅2 (Cy 3 PO)⋅2 H 2 O⋅2 EtOH, eingesetzt. Die experimentelle partielle Phononen‐Zustandsdichte, die alle Schwingungen mit einer Auslenkung des Dy III ‐Ions enthält, wurde mit Hilfe von auf Dichtefunktionaltheorie (DFT) basierenden Simulationen reproduziert, was die Zuordnung aller intramolekularen Schwingungsmoden des Moleküls ermöglicht. Diese Studie zeigt, dass 161 Dy‐NIS als eine experimentelle Methode ein hohes Potential besitzt, um zur Klärung der Rolle von Phononen in Einzelmolekülmagneten beizutragen.

Scherthan, Lena↗
DOE OSTI2020

Protonierung von CH 3 N 3 und CF 3 N 3 in Supersäuren: Isolierung und strukturelle Charakterisierung von langlebigen Methyl‐ und Trifluormethylamino‐Diazonium‐Ionen

Abstract Die Methylaminodiazonium‐Kationen [CH 3 N(H)N 2 ] + und [CF 3 N(H)N 2 ] + wurden als ihre bei niedriger Temperatur stabilen [AsF 6 ]‐Salze durch Protonierung von Azidomethan und Azidotrifluormethan in supersauren Systemen hergestellt. Sie wurden durch NMR‐ und Raman‐Spektroskopie charakterisiert. Ein eindeutiger Nachweis der Protonierungsstelle wurde durch die Kristallstrukturen beider Salze erhalten, welche die Bildung der Alkylaminodiazonium‐Ionen bestätigte. Die Lewis‐Addukte CH 3 N 3 ⋅AsF 5 und CF 3 N 3 ⋅AsF 5 wurden ebenfalls hergestellt und durch Tieftemperatur‐NMR‐ und Raman‐Spektroskopie sowie im Falle von CH 3 N 3 ⋅AsF 5 durch Röntgenstrukturbestimmung charakterisiert. Elektronische Strukturberechnungen wurden durchgeführt, um zusätzliche Einblicke zu erhalten. Versuche zur elektrophilen Aminierung von Aromaten wie Benzol und Toluol mit Methyl‐ und Trifluormethylamino‐Diazonium‐Ionen waren erfolglos.

Saal, Thomas↗
DOE OSTI2022

Zirkonkarbid ermöglicht verkokungsresistente Methan‐Trockenreformierung auf Nickel‐Zirkon‐Katalysatoren

Abstract Graphitische Ablagerungen lösen sich in Ni 0 ‐Nanopartikeln auf, um rezyklierte CH 4 ‐Adsorptionsstellen und oberflächennahe/gelöste C‐Atome bereitzustellen, die zur Ni 0 /ZrO 2 ‐Grenzfläche wandern und eine lokale Zr x C y ‐Bildung induzieren. Die daraus resultierenden sauerstoffarmen karbidischen Phasengrenzflächen unterstützen die Kinetik der CO 2 ‐Aktivierung zu CO(g). Dieser Grenzflächen‐Karbid‐Mechanismus ermöglicht einen verstärkten Übertritt von Kohlenstoff auf den ZrO 2 ‐Träger und stellt einen alternativen Weg der Katalysatorregeneration im Vergleich zum umgekehrten Sauerstoffübertritt auf Ni/CeZr x O y ‐Katalysatoren dar. Er ist daher eher auf Trägern mit begrenzter Sauerstoffspeicher‐ bzw. Austausch‐Kinetik, aber signifikanter karbothermischer Reduzierbarkeit, wahrscheinlich.

Haug, Leander↗