Graphene and graphitic derivative filled polymer composites as potential sensors

Graphite and numerous graphitic-derived micro- and nano-particles have gained importance in current materials science research. These two-dimensional sheets of sp(2)-hybridized carbon atoms remarkably influence the properties of polymers. Graphene mono-layers, graphene oxides, graphite oxides, exfoliated graphite, and other related materials are derived from a parental graphite structure. In this review, we focus primarily on the role of these fillers in regulating the electrical and sensing properties of polymer composites. It has been demonstrated that the addition of an optimized mixture of graphene and or its derivatives to various polymers produces a record-high enhancement of the electrical conductivity and achieved semiconducting characteristics at small filler loading, making it suitable for sensor manufacture. Promising sensing characteristics are observed in graphite-derived composite films compared with those of micro-sized composites and the properties are explained mainly based on the filler volume fraction, nature and rate of dispersion and the filler polymer interactions at the interface. In short, this critical review aims to provide a thorough understanding of the recent advances in the area of graphitic-based polymer composites in advanced electronics. Future perspectives in this rapidly developing field are also discussed.

New metallomolecular wires based on carbon-rich bridging systems: a systematic study

This dissertation presents and discusses the preparation of molecular wires (MW) candidates that would then be probed for electron transfer properties. These wires are bridged by 1,4-diethynylbenzene derivatives with alkoxy side chains with palladium and ruthenium metal complex termini. Characterization of these compounds was performed by usual spectroscopic techniques like 1H, 13C{1H} and 31P{1H} NMR, MS, FTIR and UV-Vis as well as by cyclic voltammetry which allowed classifying the candidates in the Robin–Day system and determination of bridges side chain and length effects on electronic transport. Preparation of the 1,4-diethynylbenzene derivatives was done with synthetic pathways that relied heavily in palladium catalyzed cross-couplings (Sonogashira). A family of single ringed 1,4-diethynylbenzene ligands with different length alkoxy side chains (OCH3, OC2H5, OC7H15) was thus prepared allowing for the influence of these ring decorations to be assessed. The ruthenium binuclear rods showed communication between metal centres only when the shorter ligands were used whereas the longer Ru complexes showed only one redox pair in CV studies which is in agreement to non-communicating metal centres. Cyclic voltammetry studies show irreversible one wave processes for palladium dinuclear complexes, making these rods function as molecular insulators. Fluorescence decay studies performed on the prepared compounds (ligands and complexes) show a pattern of decreasing decay times upon coordination to the metal centres which can due to ligand charge redistribution upon coordination leading to non-radiative relaxation paths. Regarding the X-ray structures, two new ligand related structures were obtained as well as new structure for a palladium rod. The effect of the side chains was observed to be important to the wires’ electronic properties when comparing with the analogues without a side chain. The effect brought by longer chains is nevertheless almost negligible.

A influência do esqueleto açúcar-fostato no transporte da molécula de DNA

This dissertation analyses the influence of sugar-phosphate structure in the electronic transport in the double stretch DNA molecule, with the sequence of the base pairs modeled by two types of quasi-periodic sequences: Rudin-Shapiro and Fibonacci. For the sequences, the density of state was calculated and it was compared with the density of state of a piece of human DNA Ch22. After, the electronic transmittance was investigated. In both situations, the Hamiltonians are different. On the analysis of density of state, it was employed the Dyson equation. On the transmittance, the time independent Schrödinger equation was used. In both cases, the tight-binding model was applied. The density of states obtained through Rudin-Shapiro sequence reveal to be similar to the density of state for the Ch22. And for transmittance only until the fifth generation of the Fibonacci sequence was acquired. We have considered long range correlations in both transport mechanism

Transporte eletrônico e propriedades termodinâmicas de nanobiomoléculas

We use a tight-binding formulation to investigate the transmissivity and the currentvoltage (I_V) characteristics of sequences of double-strand DNA molecules. In order to reveal the relevance of the underlying correlations in the nucleotides distribution, we compare theresults for the genomic DNA sequence with those of arti_cial sequences (the long-range correlated Fibonacci and RudinShapiro one) and a random sequence, which is a kind of prototype of a short-range correlated system. The random sequence is presented here with the same _rst neighbors pair correlations of the human DNA sequence. We found that the long-range character of the correlations is important to the transmissivity spectra, although the I_V curves seem to be mostly inuenced by the short-range correlations. We also analyze in this work the electronic and thermal properties along an _-helix sequence obtained from an _3 peptide which has the uni-dimensional sequence (Leu-Glu-Thr- Leu-Ala-Lys-Ala)3. An ab initio quantum chemical calculation procedure is used to obtain the highest occupied molecular orbital (HOMO) as well as their charge transfer integrals, when the _-helix sequence forms two di_erent variants with (the so-called 5Q variant) and without (the 7Q variant) _brous assemblies that can be observed by transmission electron microscopy. The di_erence between the two structures is that the 5Q (7Q) structure have Ala ! Gln substitution at the 5th (7th) position, respectively. We estimate theoretically the density of states as well as the electronic transmission spectra for the peptides using a tight-binding Hamiltonian model together with the Dyson's equation. Besides, we solve the time dependent Schrodinger equation to compute the spread of an initially localized wave-packet. We also compute the localization length in the _nite _-helix segment and the quantum especi_c heat. Keeping in mind that _brous protein can be associated with diseases, the important di_erences observed in the present vi electronic transport studies encourage us to suggest this method as a molecular diagnostic tool

Electric characterization of a hybrid composite based on POMA/P(VDF- TrFE)/Zn2SiO4 : Mn using impedance spectroscopy

Understanding the microscopic origin of the dielectric properties of disordered materials has been a challenge for many years, especially in the case of samples with more than one phase. For polar dielectrics, for instance, the Lepienski approach has indicated that the random free energy barrier model of Dyre must be extended. Here we analyse the dielectric properties of a polymer blend made up with the semiconducting poly(o-methoxyaniline) and poly( vinylidene fluoride-trifluorethylene) POMA/P(VDF-TrFE), and of a hybrid composite of POMA/P(VDF-TrFE)/Zn2SiO4:Mn. For the blend, the Lepienski model, which takes into account the rotation or stretching of electric dipoles, provided excellent fitting to the ac impedance data. Because two phases had to be assumed for the hybrid composite, we had to extend the Lepienski model to fit the data, by incorporating a second transport mechanism. The two mechanisms were associated with the electronic transport in the polymeric matrix and with transport at the interfaces between Zn2SiO4: Mn microparticles and the polymeric matrix, with the relative importance of the interfacial component increasing with the percentage of Zn2SiO4: Mn in the composite. The analysis of impedance data at various temperatures led to a prediction of the theoretical model of a change in morphology at 190 +/- 40 K, and this was confirmed experimentally with a differential scanning calorimetry experiment.

Chemical vapor deposition of multi-walled carbon nanotubes from nickel/yttria-stabilized zirconia catalysts

Multi-walled carbon nanotubes (MWNT) were produced by chemical vapor deposition using yttria-stabilized zirconia/nickel (YSZ/Ni) catalysts. The catalysts were obtained by a liquid mixture technique that resulted in fine dispersed nanoparticles of NiO supported in the YSZ matrix. High quality MWNT having smooth walls, few defects, and low amounts of by-products such as amorphous carbon were obtained, even from catalysts with large Ni concentrations (> 50 wt.%). By adjusting the experimental parameters, such as flux of the carbon precursor (ethylene) and Ni concentration, both the MWNT morphology and the process yield could be controlled. The resulting YSZ/Ni/MWNT composites can be interesting due to their mixed ionic-electronic transport properties, which could be useful in electrochemical applications.

Electron trapping of laser-induced carriers in Er-doped SnO2 thin films

In order to investigate optically excited electronic transport in Er-doped SnO2, thin films are excited with the fourth harmonic of an Nd:YAG laser (266nm) at low temperature, yielding conductivity decay when the illumination is removed. Inspection of these electrical characteristics aims knowledge for electroluminescent devices operation. Based on a proposed model where trapping defects present thermally activated cross section, the capture barrier is evaluated as 140, 108, 100 and 148 meV for doped SnO2, thin films with 0.0, 0.05, 0. 10 and 4.0 at% of Er, respectively. The undoped film has vacancy levels as dominating, whereas for doped films. there are two distinct trapping centers: Er3+ substitutional at Sn lattice sites and Er3+ located at grain boundary. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Improved Conductivity Induced by Photodesorption in SnO2 Thin Films Grown by a Sol-Gel Dip Coating Technique

Thin films of undoped and Sb-doped SnO2 have been prepared by a sol-gel dip-coating technique. For the high doping level (2-3 mol% Sb) n-type degenerate conduction is expected, however, measurements of resistance as a function of temperature show that doped samples exhibit strong electron trapping, with capture levels at 39 and 81 meV. Heating in a vacuum and irradiation with UV monochromatic light (305 nm) improve the electrical characteristics, decreasing the carrier capture at low temperature. This suggests an oxygen related level, which can be eliminated by a photodesorption process. Absorption spectral dependence indicates an indirect bandgap transition with Eg ≅ 3.5 eV. Current-voltage characteristics indicate a thermionic emission mechanism through interfacial states.

Eletrônica molecular via método híbrido DFT/FGNE em anéis fenilas acoplados a eletrodos metálicos de nanotubos de carbono: a regra de conformação e quiralidade molecular

Nesta tese, investigamos detalhadamente as propriedades de transporte eletrônico, conformacional e de simetria de estruturas de Nanotubos de Carbono de Parede Simples zigzag (9,0), NCPS zz9, acopladas a anéis fenilas (2, 3, 4 e 5) sob influência de campo elétrico externo (voltagem) via método híbrido da Teoria do Funcional Densidade (DFT) do tipo B3LYP 6-311G(d,p) combinado com Função de Green de Não Equilíbrio (FGNE) e Teoria de Grupo. Verificamos uma boa relação entre: 1- o índice quiral () por Teoria de Grupo e a lei do cos2 (, ângulo diedral) por geometria sob a influência de campo elétrico externo, pois  só depende das posições atômicas (), das conformações, e também está fortemente correlacionada a corrente que passa através do sistema; 2- a condutância normalizada (G/Go) é proporcional a cos2 na região do gap (EHOMO-ELUMO), isto é, nas regiões onde ocorre a ressonância e a resistência diferencial negativa (RDN); 3- o gráfico Fowler-Northeim (FN) exibe mínimo de voltagem (Vmin) que ocorre sempre que a cauda de um pico de transmissão ressonante entra na janela de voltagem, isto é, quando nessas estruturas ocorre uma RDN, pois o número de RDN na curva I-V está associado ao número de Vmin no gráfico FN e pode ser explicado pelo modelo de transporte molecular coerente; 4- a altura da barreira (EF - EHOMO e ELUMO - EF) como função do comprimento molecular; 5- Vmin como função da altura da barreira (EF - EHOMO) e do comprimento molecular. Assim, 1 implica que a conformação molecular desempenha um papel preponderante na determinação das propriedades de transporte da junção; 2 sugere que a lei do cos2 tem uma aplicabilidade mais geral independentemente da natureza dos eletrodos; 3 serve como um instrumento espectroscópico e também para identificar a molécula na junção; 4 e 5 a medida que o comprimento molecular atinge um certo valor (1,3nm) o Vmin permanece praticamente inalterado. Os resultados mostraram que as propriedades estruturais sofrem alterações significativas com o aumento da voltagem que estão em boa concordância com os valores encontrados na literatura. O comportamento das curvas IxV e G/GoxV perdem sua dependência linear para dar origem a um comportamento não linear com aparecimento de RDN. Tal ponto revela a modificação estrutural sofrida pelo sistema. A curva IxV confirmou as afirmações que foram feitas através da análise estrutural para o sistema considerado e mostrou como se dá o fluxo de carga nos sistemas analisados.

Simulação de transporte eletrônico em dispositivos unimoleculares baseados em indicadores de pH

Nas últimas décadas, diversos pesquisadores têm tentado empregar moléculas em dispositivos eletrônicos de nanoescala. Por este motivo, diferentes parâmetros eletro/ópticos, que regem o transporte eletrônico em moléculas orgânicas, precisam ser analisados. Neste trabalho foi desenvolvido um estudo de transporte de carga para o composto Vermelho de Propila, popularmente utilizado como indicador de pH. A motivação para estudá-lo resulta de sua estrutura constituída por subunidades doadora-aceitadora, acopladas via grupo azo (N=N), uma característica bem conhecida em retificadores moleculares. A metodologia utilizada para tratar o sistema em equilíbrio é baseada em métodos de Mecânica Molecular e Hartree-Fock. Sendo que, para simular o sistema em não-equilíbrio, foi empregado o formalismo de Landauer-Büttiker. Através desses métodos, as curvas características do sistema molecular foram traçadas e comparadas. O resultado da comparação permitiu explicar os fenômenos que regem o transporte eletrônico na nanoestrutura. Além disso, foram analisados os efeitos de contatos metálicos, ligados a molécula na presença de campo elétrico externo.

Transporte eletrônico em nanofitas de grafeno sob a influência de fatores externos, via primeiros princípios

O grafeno é a primeira estrutura bidimensional que se obteve experimentalmente. Sua rede cristalina é uma rede hexagonal, conhecida como "Favo de Mel", possui apenas um átomo de espessura. Cortes em folhas de grafeno, privilegiando determinada direção, geram as chamadas nanofitas de grafeno. Embora o grafeno se comporte como um metal, é sabido que as nanofitas podem apresentar comportamentos semicondutor, metálico ou semimetálico, dependendo da direção de corte e/ou largura da fita. No caso de nanofitas semicondutoras, a largura da banda proibida (band gap), entre outros fatores, depende da largura da nanofita. Neste trabalho adotou-se métodos de primeiros princípios como o DFT (Density Functional Theory), afim de se obter as características tais como curvas de dispersão para nanofitas. Neste trabalho, primeiramente, são apresentados diagramas de bandas de energia e curvas de densidade de estados para nanofitas de grafeno semicondutoras, de diferentes larguras, e na ausência de influências externas. Utilizou-se métodos de primeiros princípios para a obtenção destas curvas e o método das funções de Green do Não Equilíbrio para o transporte eletrônico. Posteriormente foi investigado a influência da hidrogenização, temperatura e tensão mecânica sobre sistema, isso além, de se estudar o comportamento de transporte eletrônico com e sem influência destes fatores externos. Vale ressaltar que as nanofitas de grafeno apresentam possibilidades reais de aplicação em nanodispositivos eletrônicos, a exemplo de nanodiodos e nanotransistores. Por esse motivo, é importante se ter o entendimento de como os fatores externos alteram as propriedades de tal material, pois assim, espera-se que as propriedades de dispositivos eletrônicos também sejam influenciadas da mesma maneira que as nanofitas.

Transporte eletrônico e quiralidade molecular: um estudo de dispositivos orgânicos em sistemas de dois terminais

No presente trabalho, investigamos o transporte eletrônico molecular em dois compostos orgânicos, o Ponceau SS (PSS) e o Oligo-(para)fenileno-vinileno (PPV) através de cálculos ab initio e função de Green de não equilíbrio (FGNE). Estes métodos demonstraram equivalência para a descrição destes dispositivos moleculares. Fizemos cálculos quânticos para o Hamiltoniano derivado de Hartree-Fock (HF) e obtivemos as propriedades de corrente-voltagem (I-V) para as duas estruturas moleculares. Com o método FGNE conseguimos modelar o transporte através de um sistema de multiníveis eletrônicos obtendo a corrente descrevendo as regiões de ressonância e a assimetria do sistema. Como resposta o PSS demonstrou assimetria para polarizações direta e reversa e a ressonância é alcançada mostrando que o dispositivo opere como um transistor molecular bi-direcional. Para o PPV investigamos também as propriedades geométricas através da conexão entre transporte eletrônico e o grau de quiralidade molecular que foi calculado usando o índice quiral que depende apenas das posições atômicas. Obtivemos que moléculas quirais e propriedades estruturais podem induzir uma assimetria no transporte eletrônico, resultando num processo de retificação. Também obtivemos que a resposta elétrica (I-V) e momento de dipolo elétrico são proporcionais ao grau de quiralidade molecular. Estes resultados sugerem que o transporte eletrônico neste sistema pode ser explorado na avaliação do seu grau de quiralidade.

Estudo do transporte eletrônico em nanoestruturas baseadas em carotenoides e tétrades com fulereno C60

Neste Trabalho é apresentado um estudo teórico da estrutura eletrônica de uma molécula de fulereno C60 com junções em quatro terminais baseados em grupos doadores de elétron – etratiofulvaleno (TTF) – e grupos aceitadores de elétrons – fenilpropanodinila (FPP) e dispositivos moleculares baseados em derivados dos Carotenoides. O mecanismo de transporte investigado para os derivados dos Carotenoides foram utilizados para o melhor entendimento das curvas de Fowler- Nordheim (FN) e Millikan-Lauritsen (ML) para os sistemas baseados em fulereno C60. Em todos os casos foi possível confirmar que a análise empírica de Millikan-Lauritsen (ML) também é suficiente para descrever em todos os aspectos a espectroscopia de voltagem de transição (TVS). Para estudar os sistemas, foram feitas otimizações de geometria sistematicamente e observado uma transferência eletrônica calculada por métodos derivados de Hartree-Fock e Teoria do Funcional Densidade (DFT). Os resultados apresentados mostram um estudo detalhado do rearranjo de carga molecular para a estrutura, que sob a ação de um campo elétrico externo apontou que o transporte de carga está diretamente ligado ao tipo de junção que esse sistema é submetido de forma que a voltagem aplicada é intensa o bastante para criar um potencial de saturação nos sistemas em estudo: fulereno C60 com três terminais de tetratiofulvaleno e um terminal de fenil-propanodinila (C60-(TTF)₃-FPP); fulereno C60 com quatros terminais de fenil-propanodinila (C60-(FPP)₄). Os resultados mostram que se tem um retificador molecular que pode trabalhar corretamente como um retificador macroscópico.

Transporte eletrônico de nanofita de grafeno sob a influência de constrições e oxidação

Neste trabalho, investigamos os efeitos da funcionalização de grupos oxidativos sobre a estrutura de nanofitas de grafeno zigue-zague e também os efeitos de constrições, onde estes efeitos foram analisados por meio de transporte eletrônico via campo externo longitudinal. Nossos cálculos foram parametrizados pelo modelo semi-empírico de Huckel estendido-ETH, adotando-se o método das funções de Green de não equilíbrio- NEGF. As correntes foram calculadas via equação de Landauer que usa a função de transmissão da região espalhadora ao fluxo de elétrons com energia (E) vinda do eletrodo esquerdo. Por meio dessa abordagem, foi possível analisarmos o comportamento dos portadores de carga em cada um os dispositivos propostos, bem como, a natureza de tal comportamento. Verificaram-se nas curvas I(V) dois regimes de transporte: Ôhmico e NDR, verificando máximos de corrente e, também a tensão de limiar (VTh1transporte para a nanofita (sem oxidação, alta oxidação, media oxidação e baixa oxidação, respectivamente) isso sugere estados eletrônicos localizados devido à presença de duas nanoconstrições na nanofita de grafeno como regiões de confinamentos quânticos e proporcionais a funcionalização. Observou-se que o poro ao centro da fita criou duas nanoconstrições nas laterais da fita, permitindo assim o confinamento eletrônico nos dispositivos baseados em nestas fitas, caracterizando-as como um diodo de tunelamento ressonante-DRT verificado pela relação pico/vale 7:1. Podemos concluir que nossa proposta de dispositivo está consoante aos resultados experimentais para nanodispositivos e que suas aplicabilidades não se restringirão diante dos estados de oxidação, sendo um fator positivo e que contribui para os aspectos fenomenológicos de transporte eletrônico em grafeno e para a fabricação de nanodispositivos de baixo custo.

Disorder induced interface states and their influence on the AI/Ge nanowires Schottky devices

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)