Abstract. Submicron aerosol was analyzed during the MILAGRO field campaign in March 2006 at the T0 urban supersite in Mexico City with a High-Resolution Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS) and complementary instrumentation. Mass concentrations, diurnal cycles, and size distributions of inorganic and organic species are similar to results from the CENICA supersite in April 2003 with organic aerosol (OA) comprising about half of the fine PM mass. Positive Matrix Factorization (PMF) analysis of the high resolution OA spectra identified three major components: chemically-reduced urban primary emissions (hydrocarbon-like OA, HOA), oxygenated OA (OOA, mostly secondary OA or SOA), and biomass burning OA (BBOA) that correlates with levoglucosan and acetonitrile. BBOA includes several very large plumes from regional fires and likely also some refuse burning. A fourth OA component is a small local nitrogen-containing reduced OA component (LOA) which accounts for 9% of the OA mass but one third of the organic nitrogen, likely as amines. OOA accounts for almost half of the OA on average, consistent with previous observations. OA apportionment results from PMF-AMS are compared to the PM2.5 chemical mass balance of organic molecular markers (CMB-OMM, from GC/MS analysis of filters). Results from both methods are overall consistent. Both assign the major components of OA to primary urban, biomass burning/woodsmoke, and secondary sources at similar magnitudes. The 2006 Mexico City emissions inventory underestimates the urban primary PM2.5 emissions by a factor of ~4, and it is ~16 times lower than afternoon concentrations when secondary species are included. Additionally, the forest fire contribution is at least an order-of-magnitude larger than in the inventory.

Abstract. An Aerodyne Aerosol Mass Spectrometer (AMS) was deployed at the CENICA Supersite, during the Mexico City Metropolitan Area field study (MCMA-2003) from 31 March-4 May 2003 to investigate particle concentrations, sources, and processes. The AMS provides real time information on mass concentration and composition of the non-refractory species in particulate matter less than 1 µm (NR-PM1) with high time and size-resolution. In order to account for the refractory material in the aerosol, we also present estimates of Black Carbon (BC) using an aethalometer and an estimate of the aerosol soil component obtained from Proton-Induced X-ray Emission Spectrometry (PIXE) analysis of impactor substrates. Comparisons of AMS + BC + soil mass concentration with other collocated particle instruments (a LASAIR Optical Particle Counter, a PM2.5 Tapered Element Oscillating Microbalance (TEOM), and a PM2.5 DustTrak Aerosol Monitor) show that the AMS + BC + soil mass concentration is consistent with the total PM2.5 mass concentration during MCMA-2003 within the combined uncertainties. In Mexico City, the organic fraction of the estimated PM2.5 at CENICA represents, on average, 54.6% (standard deviation σ=10%) of the mass, with the rest consisting of inorganic compounds (mainly ammonium nitrate and sulfate/ammonium salts), BC, and soil. Inorganic compounds represent 27.5% of PM2.5 (σ=10%); BC mass concentration is about 11% (σ=4%); while soil represents about 6.9% (σ=4%). Size distributions are presented for the AMS species; they show an accumulation mode that contains mainly oxygenated organic and secondary inorganic compounds. The organic size distributions also contain a small organic particle mode that is likely indicative of fresh traffic emissions; small particle modes exist for the inorganic species as well. Evidence suggests that the organic and inorganic species are not always internally mixed, especially in the small modes. The aerosol seems to be neutralized most of the time; however, there were some periods when there was not enough ammonium to completely neutralize the nitrate, chloride and sulfate present. The diurnal cycle and size distributions of nitrate suggest local photochemical production. On the other hand, sulfate appears to be produced on a regional scale. There are indications of new particle formation and growth events when concentrations of SO2 were high. Although the sources of chloride are not clear, this species seems to condense as ammonium chloride early in the morning and to evaporate as the temperature increases and RH decreases. The total and speciated mass concentrations and diurnal cycles measured during MCMA-2003 are similar to measurements during a previous field campaign at a nearby location.

The growth, structure and properties of a two-dimensional carbon nanostructure–carbon nanosheet produced by radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition have been investigated. The effects of deposition parameters on the structure and properties of carbon nanosheets were also investigated. A growth model has been described proposing that atomically thin graphene sheets result from a balance between deposition through surface diffusion and etching by atomic hydrogen, and that the observed vertical orientation of these sheets results from the interaction of the plasma electric field with their anisotropic polarizability.

Gallium oxide (Ga2O3) thin films were produced by sputter deposition by varying the substrate temperature (Ts) in a wide range (Ts = 25–800 °C). The structural characteristics and optical properties of Ga2O3 films were evaluated using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectrometry (EDS), Rutherford backscattering spectrometry (RBS), and spectrophotometric measurements. The effect of growth temperature is significant on the chemistry, crystal structure, and morphology of Ga2O3 films. XRD and SEM analyses indicate that the Ga2O3 films grown at lower temperatures were amorphous, while those grown at Ts ≥ 500 °C were nanocrystalline. RBS measurements indicate the well-maintained stoichiometry of Ga2O3 films at Ts = 300–800 °C. The spectral transmission of the films increased with increasing temperature. The band gap of the films varied from 4.96 to 5.17 eV for a variation in Ts in the range 25–800 °C. A relationship between microstructure and optical property is discussed.

Wide-field magnetometry can be realized by imaging the optically-detected magnetic resonance of diamond nitrogen vacancy (NV) center ensembles. However, NV ensemble inhomogeneities significantly limit the magnetic-field sensitivity of these measurements. We demonstrate a double-double quantum (DDQ) driving technique to facilitate wide-field magnetic imaging of dynamic magnetic fields at a micron scale. DDQ imaging employs four-tone radio frequency pulses to suppress inhomogeneity-induced variations of the NV resonant response. As a proof-of-principle, we use the DDQ technique to image the dc magnetic field produced by individual magnetic-nanoparticles tethered by single DNA molecules to a diamond sensor surface. This demonstrates the efficacy of the diamond NV ensemble system in high-frame-rate magnetic microscopy, as well as single-molecule biophysics applications.

The design of cathode materials that remain chemically and structurally stable during repetitive ion insertion and extraction poses a significant challenge in developing multivalent batteries. The cycling stability of traditional metal oxide-based cathode is challenged by sluggish diffusion of multivalent cations and parasitic reactivity at interfacial regimes, including the cathode electrolyte interphase layer (CEI). Understanding the reactions at the cathode-electrolyte interface, particularly those induced by non-stoichiometric surface layers, is a crucial design parameter for both cathode materials and electrolytes. In this study, we employed multimodal analysis, including in situ and ex situ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), high resolution transmission electron microscopy (TEM) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to examine the surface reactions and subsequent structural and chemical evolutions of the CEI on high voltage magnesium vanadium oxide (MgV2O4) spinel cathode during the Mg2+ insertion/extraction process. The results revealed that the presence of non-stoichiometric surface layers in the magnesium vanadium oxide cathode drive the decomposition of bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TFSI-) anion, leading to the formation of the CEI layer. The CEI layer could inhibit the Mg2+ ion transfer processes. Accompanying this reactivity-driven degradation, the magnesium vanadium oxide cathode undergoes pulverization, forming clusters of nanosized particles. This process likely improves cycling ability by creating new intercalation sites and reducing the diffusion pathway for the Mg2+ cations. This study demonstrates that controlling surface stoichiometry and engineering morphological properties are critical design parameters for high performance cathodes for multivalent batteries.

The effect of oxygen partial pressure on the structure, morphology, chemical bonding, and optical properties of Ga–W–O films made by pulsed laser deposition is evaluated. Conditions were optimized to realize materials for deep UV-photodetectors.

Elevated temperature molten Na batteries are seeing a resurgence of interest for low-cost electrochemical energy storage for the grid. Of the many recent innovations in this battery concept, new methods focused on intermediate temperature operation (e.g. 110-190 °C) have gained prominence as a way to enable comparable performance with less thermal energy loss and lower-cost materials of construction. However, the poor wettability of molten Na on suitable solid-electrolyte separators such as sodium Beta Alumina Solid-Electrolyte (Na-β"-Al2O3, 'BASE') requires continued innovation in interface engineering to promote full utilization of the solid-electrolyte surface area and minimize cell resistance. There have been many successful approaches to improve Na-wettability to-date including heat treatment in an inert atmosphere to remove adsorbed surface species, deposition of alloying metals such as Pb, Sn, or Bi, and use of carbon-based interfacial layers. However, these approaches either lack the ability to provide good wetting at very low temperatures (near the melting point of Na) or rely on non-scalable processes and/or toxic/expensive metals. To solve these issues, a new carbon-based sodiophilic treatment is demonstrated, which utilizes inexpensive components to form a meso/macroporous sodiophilic layer, is easily applied via drop-casting or spray-coating, provides excellent wetting as low as 110 °C, and is completely metal-free. It is found that the good sodium wetting can be attributed to the wider range of pore sizes in the carbon layers demonstrated in this study. Na wetting may occur as surface tension is initially broken by larger pores, followed by the intrusion of molten Na into smaller pores due to the apparent intrinsic affinity of Na-metal for carbon surfaces, in conjunction with the capillarity effect. Low cell-level area specific resistances of 20-30 and 13-15 Ω·cm2 are demonstrated at 110 and 140 °C respectively. Finally, the utility of this metal-free wetting layer for solid-Na anodes is explored, showing that the metal-free wetting layer can reach a critical current density of 1.88 mA·cm-2 at 30 °C.

Abstract An extensive examination of the nanoscale, crystallographic growth dynamics of the system, which is impacted by the thermal energy given to the GaN, is carried out to derive a deeper understanding of the growth kinetics, morphology and microstructure evolution, chemical bonding, and optical properties of Ga─O─N films. Thermal annealing of GaN films is performed in the temperature range of 900–1200 °C. Crystal structure, phase formation, chemical composition, surface morphology, and microstructure evolution of Ga─O─N films are investigated as a function of temperature. Increasing temperature induces surface oxidation, which results in the formation of stable β‐Ga 2 O 3 phase in the GaN matrix, where the overall film composition evolves from nitride (GaN) to oxynitride (Ga─O─N). While GaN surfaces are smooth, planar, and featureless, oxidation induced granular‐to‐rod shaped morphology evolution is seen with increasing temperature to 1200 °C. The considerable texturing and stability of the nanocrystalline Ga─O─N on Si substrates can be attributed to the surface and interface driven modification because of thermal treatment. Corroborating with structure and chemical changes, Raman spectroscopic analyses also indicate that the chemical bonding evolution progresses from fully Ga─N bonds to Ga─O─N. While the GaN oxidation process starts with the formation of β‐Ga 2 O 3 at an annealing temperature of 1000 °C, higher annealing temperatures induce structural distortion with the potential formation of Ga─O─N bonds. The structure‐phase‐chemical composition correlation, which will be useful for nanocrystalline materials for selective optoelectronic applications, is established in Ga─O─N films made by thermal treatment of GaN.