Study of multiferroic materials

The present PhD work aims the research and development of materials that exhibit multiferroic properties, in particular having a significant interaction between ferromagnetism and ferroelectricity; either directly within an intrinsic single phase or by combining extrinsic materials, achieving the coupling of properties through mechanic phenomena of the respective magnetostriction and piezoelectricity. These hybrid properties will allow the cross modification of magnetic and electric polarization states by the application of cross external magnetic and/or electric fields, giving way to a vast area for scientific investigation and potential technological applications in a new generation of electronic devices, such as computer memories, signal processing, transducers, sensors, etc. Initial experimental work consisted in chemical synthesis of nano powders oxides by urea pyrolysis method: A series of ceramic bulk composites with potential multiferroic properties comprised: of LuMnO3 with La0.7Sr0.3MnO3 and BaTiO3 with La0.7Ba0.3MnO3; and a series based on the intrinsic multiferroic LuMn1-zO3 phase modified with of Manganese vacancies. The acquisition of a new magnetron RF sputtering deposition system, in the Physics Department of Aveiro University, contributed to the proposal of an analogous experimental study in multiferroic thin films and multilayer samples. Besides the operational debut of this equipment several technical upgrades were completed like: the design and construction of the heater electrical contacts; specific shutters and supports for the magnetrons and for the substrate holder and; the addition of mass flow controllers, which allowed the introduction of N2 or O2 active atmosphere in the chamber; and the addition of a second RF generator, enabling co-deposition of different targets. Base study of the deposition conditions and resulting thin films characteristics in different substrates was made from an extensive list of targets. Particular attention was given to thin film deposition of magnetic phases La1-xSrxMnO3, La1-xBaxMnO3 and Ni2+x-yMn1-xGa1+y alloy, from the respective targets: La0.7Sr0.3MnO3, La0.7Ba0.3MnO3; and NiGa with NiMn. Main structural characterization of samples was performed by conventional and high resolution X-Ray Diffraction (XRD); chemical composition was determined by Electron Dispersion Spectroscopy (EDS); magnetization measurements recur to a Vibrating Sample Magnetometer (VSM) prototype; and surface probing (SPM) using Magnetic-Force (MFM) and Piezo-Response (PFM) Microscopy. Results clearly show that the composite bulk samples (LuM+LSM and BTO+LBM) feat the intended quality objectives in terms of phase composition and purity, having spurious contents below 0.5 %. SEM images confirm compact grain packaging and size distribution around the 50 nm scale. Electric conductivity, magnetization intensity and magneto impedance spreading response are coherent with the relative amount of magnetic phase in the sample. The existence of coupling between the functional phases is confirmed by the Magnetoelectric effect measurements of the sample “78%LuM+22%LSM” reaching 300% of electric response for 1 T at 100 kHz; while in the “78%BTO+22%LBM” sample the structural transitions of the magnetic phase at ~350 K result in a inversion of ME coefficient the behavior. A functional Magneto-Resistance measurement system was assembled from the concept stage until the, development and operational status; it enabled to test samples from 77 to 350 K, under an applied magnetic field up to 1 Tesla with 360º horizontal rotation; this system was also designed to measure Hall effect and has the potential to be further upgraded. Under collaboration protocols established with national and international institutions, complementary courses and sample characterization studies were performed using Magneto-Resistance (MR), Magneto-Impedance (MZ) and Magneto-Electric (ME) measurements; Raman and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS); SQUID and VSM magnetization; Scanning Electron Microscopy (SEM) and Rutherford Back Scattering (RBS); Scan Probe Microscopy (SPM) with Band Excitation Probe Spectroscopy (BEPS); Neutron Powder Diffraction (NPD) and Perturbed Angular Correlations (PAC). Additional collaboration in research projects outside the scope of multiferroic materials provided further experience in sample preparation and characterization techniques, namely VSM and XPS measurements were performed in cubane molecular complex compounds and enable to identify the oxidation state of the integrating cluster of Ru ions; also, XRD and EDS/SEM analysis of the acquired targets and substrates implied the devolution of some items not in conformity with the specifications. Direct cooperation with parallel research projects regarding multiferroic materials, enable the assess to supplementary samples, namely a preliminary series of nanopowder Y1-x-yCaxØyMn1O3 and of Eu0.8Y0.2MnO3, a series of micropowder composites of LuMnO3 with La0.625Sr0.375MnO3 and of BaTiO3 with hexagonal ferrites; mono and polycrystalline samples of Pr1-xCaxMnO3, La1-xSrxMnO3 and La1-xCaxMnO3.

Critical magnetic elds in superconducting systems with semi-metallic bands

In this work, we study the Zeeman splitting effects in the parallel magnetic field versus temperature phase diagram of two-dimensional superconductors with one graphene-like band and the orbital effects of perpendicular magnetic fields in isotropic two-dimensional semi-metallic superconductors. We show that when parallel magnetic fields are applied to graphene and as the intraband interaction decreases to a critical value, the width of the metastability region present in the phase diagram decreases, vanishing completely at that critical value. In the case of two-band superconductors with one graphene-like band, a new critical interaction, associated primarily with the graphene-like band, is required in order for a second metastability region to be present in the phase diagram. For intermediate values of this interaction, a low-temperature first-order transition line bifurcates at an intermediate temperature into a first-order transition between superconducting phases and a second-order transition line between the normal and the superconducting states. In our study on the upper critical fields in generic semi-metallic superconductors, we find that the pair propagator decays faster than that of a superconductor with a metallic band. As result, the zero field band gap equation does not have solution for weak intraband interactions, meaning that there is a critical intraband interaction value in order for a superconducting phase to be present in semi-metallic superconductors. Finally, we show that the out-of-plane critical magnetic field versus temperature phase diagram displays a positive curvature, contrasting with the parabolic-like behaviour typical of metallic superconductors.

Desenvolvimento de solenóides para eletroválvulas hidráulicas

Os solenóides para eletroválvulas, em conjunto com outros produtos e equipamentos, permitem a automação dos sistemas de distribuição de águas não potáveis, como, por exemplo, em sistemas de rega. Deste modo é possível controlar diversos parâmetros, como o caudal e a pressão da água que passa na válvula, podendo estes ser fiscalizados à distância. Neste trabalho, foram desenvolvidos solenóides para acoplar a válvulas que se destinam à rega agrícola, comercializadas pela empresa JPrior, Fábrica de Plásticos, Lda. Para o efeito, foram definidos vários processos necessários para a criação de uma linha piloto de pré industrialização destes dispositivos. Etapas como a conceção do dispositivo, prototipagem, testes de temperatura, consumo de corrente, estabilidade eletromecânica e testes de desempenho associados a diferentes valores de pressão e de caudal de funcionamento, foram essenciais para este desenvolvimento, assim como, análises estruturais e morfológicas do material que constitui o núcleo dos solenóides. Além disso, procurou-se responder às necessidades do mercado numa perspetiva mais completa do que a existente. Para isso, foram produzidos dois tipos de solenóides de 24 V AC, com pressões máximas de funcionamento de 4 bar e de 12 bar.

Studies on magnetocaloric and magnetic coupling effects

O presente trabalho apresenta novas metodologias desenvolvidas para a análise das propriedades magnéticas e magnetocalóricas de materiais, sustentadas em considerações teóricas a partir de modelos, nomeadamente a teoria de transições de fase de Landau, o modelo de campo médio molecular e a teoria de fenómeno crítico. São propostos novos métodos de escala, permitindo a interpretação de dados de magnetização de materiais numa perspectiva de campo médio molecular ou teoria de fenómeno crítico. É apresentado um método de estimar a magnetização espontânea de um material ferromagnético a partir de relações entropia/magnetização estabelecidas pelo modelo de campo médio molecular. A termodinâmica das transições de fase magnéticas de primeira ordem é estudada usando a teoria de Landau e de campo médio molecular (modelo de Bean-Rodbell), avaliando os efeitos de fenómenos fora de equilíbrio e de condições de mistura de fase em estimativas do efeito magnetocalórico a partir de medidas magnéticas. Efeitos de desordem, interpretados como uma distribuição na interacção magnética entre iões, estabelecem os efeitos de distribuições químicas/estruturais nas propriedades magnéticas e magnetocalóricas de materiais com transições de fase de segunda e de primeira ordem. O uso das metodologias apresentadas na interpretação das propriedades magnéticas de variados materiais ferromagnéticos permitiu obter: 1) uma análise quantitativa da variação de spin por ião Gadolínio devido à transição estrutural do composto Gd5Si2Ge2, 2) a descrição da configuração de cluster magnético de iões Mn na fase ferromagnética em manganites da família La-Sr e La-Ca, 3) a determinação dos expoentes críticos β e δ do Níquel por métodos de escala, 4) a descrição do efeito da pressão nas propriedades magnéticas e magnetocalóricas do composto LaFe11.5Si1.5 através do modelo de Bean-Rodbell, 5) uma estimativa da desordem em manganites ferromagnéticas com transições de segunda e primeira ordem, 6) uma descrição de campo médio das propriedades magnéticas da liga Fe23Cu77, 7) o estudo de efeitos de separação de fase na família de compostos La0.70-xErxSr0.30MnO3 e 8) a determinação realista da variação de entropia magnética na família de compostos de efeito magnetocalórico colossal Mn1-x-yFexCryAs.

Ritmos biológicos, cronotipo e funções cognitivas : um estudo de campo

Os primeiros estudos onde se tentava avaliar os melhores horários para se lecionar de forma a se poderem otimizar os horários escolares são já muito antigos. O primeiro a estabelecer uma relação sistemática entre performance cognitiva, Cronobiologia e sono foi Kleitman, evidenciando uma paralelismo entre o ritmo circadiano da temperatura central e a altura do dia em que eram realizadas tarefas simples de repetição. Após este primeiro estudo, muitos outros se seguiram, contudo a maioria apenas encontrou ritmos em protocolos de rotina constante e dessincronização forçada desprovidos de validade ecológica. Acresce ainda o facto de neste tipo de estudos não haver uma manipulação sistemática do efeito do padrão individual de distribuição dos parâmetros circadianos no nictómero, designado na literatura como Cronotipo. Perante isto, o presente estudo pretende avaliar a influência do Cronotipo nos ritmos cognitivos, utilizando um protocolo de rotina normal (Ecológico), onde também se manipula o efeito fim-de-semana. Para testar as premissas supramencionadas, utilizou-se uma amostra de 16 alunos universitários, que numa primeira fase responderam ao questionário de Matutinidade e Vespertinidade de Horne&Östberg, para caracterização do Cronotipo, e posteriormente andaram 15-17 dias consecutivos com tempatilumis (actímetros) para análise de ritmos de temperatura e atividade, com iPads onde realizavam ao longo do dia várias tarefas cognitivas e com o Manual de Registo Diário, onde respondiam ao diário de sono e de atividade. A análise de dados denotou a inexistência de expressão de ritmos na maioria dos parâmetros cognitivos inviabilizando a verificação de diferenças significativas entre indivíduos matutinos e vespertinos nestes parâmetros. Esta ausência de visualização da expressão rítmica pode ser explicada pelo facto de os participantes não terem aderido da forma desejada e exigida, à realização das tarefas cognitivas, ou pelo facto de termos usado um protocolo de rotina normal, em detrimento dos protocolos de rotina constate e dessincronização forçada, não controlando assim algumas variáveis que influenciam o desempenho cognitivo, podendo estas mascarar ou mesmo eliminar o ritmo. Ainda assim e apesar destas contingências observaram-se ritmos circadianos nas variáveis de autoavaliação, mesmo com o paradigma ecológico. Verificou-se ainda um efeito da hora do dia em vários parâmetros de tarefas cognitivas e motoras medidas objetivamente, assim como uma diminuição da performance cognitiva nos vespertinos, comparativamente aos matutinos, na janela temporal das 6h às 12 horas, que coincide com a maior concentração de horas de aulas por dia na Universidade onde o estudo foi realizado. Outros estudos serão necessários para consolidar a influência do Cronotipo nos ritmos cognitivos, utilizando o protocolo de rotina normal para garantir a validade ecológica, salvaguardando uma participação mais ativa na execução das tarefas cognitivas por parte dos sujeitos em estudo.