Transient transpiration radiometer : development of a heat flux sensor for high aggressivity environments

The development of a new instrument for the measurement of convective and radiative is proposed, based on the transient operation of a transpiration radiometer. Current transpiration radiometers rely on steady state temperature measurements in a porous element crossed by a know gas mass flow. As a consequence of the porous sensing element’s intrinsically high thermal inertia, the instrument’s time constant is in the order of several seconds. The proposed instrument preserves established advantages of transpiration radiometers while incorporating additional features that broaden its applicability range. The most important developments are a significant reduction of the instrument’s response time and the possibility of separating and measuring the convective and radiative components of the heat flux. These objectives are achieved through the analysis of the instrument’s transient response, a pulsed gas flow being used to induce the transient behavior.

Social-aware opportunistic routing

The increased capabilities (e.g., processing, storage) of portable devices along with the constant need of users to retrieve and send information have introduced a new form of communication. Users can seamlessly exchange data by means of opportunistic contacts among them and this is what characterizes the opportunistic networks (OppNets). OppNets allow users to communicate even when an end-to-end path may not exist between them. Since 2007, there has been a trend to improve the exchange of data by considering social similarity metrics. Social relationships, shared interests, and popularity are examples of such metrics that have been employed successfully: as users interact based on relationships and interests, this information can be used to decide on the best next forwarders of information. This Thesis work combines the features of today's devices found in the regular urban environment with the current social-awareness trend in the context of opportunistic routing. To achieve this goal, this work was divided into di erent tasks that map to a set of speci c objectives, leading to the following contributions: i) an up-to-date opportunistic routing taxonomy; ii) a universal evaluation framework that aids in devising and testing new routing proposals; iii) three social-aware utility functions that consider the dynamic user behavior and can be easily incorporated to other routing proposals; iv) two opportunistic routing proposals based on the users' daily routines and on the content traversing the network and interest of users in such content; and v) a structure analysis of the social-based network formed based on the approaches devised in this work.

Mining biomedical information from scientific literature

The rapid evolution and proliferation of a world-wide computerized network, the Internet, resulted in an overwhelming and constantly growing amount of publicly available data and information, a fact that was also verified in biomedicine. However, the lack of structure of textual data inhibits its direct processing by computational solutions. Information extraction is the task of text mining that intends to automatically collect information from unstructured text data sources. The goal of the work described in this thesis was to build innovative solutions for biomedical information extraction from scientific literature, through the development of simple software artifacts for developers and biocurators, delivering more accurate, usable and faster results. We started by tackling named entity recognition - a crucial initial task - with the development of Gimli, a machine-learning-based solution that follows an incremental approach to optimize extracted linguistic characteristics for each concept type. Afterwards, Totum was built to harmonize concept names provided by heterogeneous systems, delivering a robust solution with improved performance results. Such approach takes advantage of heterogenous corpora to deliver cross-corpus harmonization that is not constrained to specific characteristics. Since previous solutions do not provide links to knowledge bases, Neji was built to streamline the development of complex and custom solutions for biomedical concept name recognition and normalization. This was achieved through a modular and flexible framework focused on speed and performance, integrating a large amount of processing modules optimized for the biomedical domain. To offer on-demand heterogenous biomedical concept identification, we developed BeCAS, a web application, service and widget. We also tackled relation mining by developing TrigNER, a machine-learning-based solution for biomedical event trigger recognition, which applies an automatic algorithm to obtain the best linguistic features and model parameters for each event type. Finally, in order to assist biocurators, Egas was developed to support rapid, interactive and real-time collaborative curation of biomedical documents, through manual and automatic in-line annotation of concepts and relations. Overall, the research work presented in this thesis contributed to a more accurate update of current biomedical knowledge bases, towards improved hypothesis generation and knowledge discovery.

Multi-standard reconfigurable wireless transmitter architectures

The continuous demand for highly efficient wireless transmitter systems has triggered an increased interest in switching mode techniques to handle the required power amplification. The RF carrier amplitude-burst transmitter, i.e. a wireless transmitter chain where a phase-modulated carrier is modulated in amplitude in an on-off mode, according to some prescribed envelope-to-time conversion, such as pulse-width or sigma-delta modulation, constitutes a promising architecture capable of efficiently transmitting signals of highly demanding complex modulation schemes. However, the tested practical implementations present results that are way behind the theoretically advanced promises (perfect linearity and efficiency). My original contribution to knowledge presented in this thesis is the first thorough study and model of the power efficiency and linearity characteristics that can be actually achieved with this architecture. The analysis starts with a brief revision of the theoretical idealized behavior of these switched-mode amplifier systems, followed by the study of the many sources of impairments that appear when the real system is implemented. In particular, a special attention is paid to the dynamic load modulation caused by the often ignored interaction between the narrowband signal reconstruction filter and the usual single-ended switched-mode power amplifier, which, among many other performance impairments, forces a two transistor implementation. The performance of this architecture is clearly explained based on the presented theory, which is supported by simulations and corresponding measured results of a fully working implementation. The drawn conclusions allow the development of a set of design rules for future improvements, one of which is proposed and verified in this thesis. It suggests a significant modification to this traditional architecture, where now the phase modulated carrier is always on – and thus allowing a single transistor implementation – and the amplitude is impressed into the carrier phase according to a bi-phase code.

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.

Comunidades de prática online e a construção de competências para o ensino ativo

O presente estudo foi realizado no âmbito da formação continuada de professores através das interações numa Comunidade de Prática online (CoP online). Nas CoPs ocorrem a partiha de dúvidas e problemas comuns ao trabalho dos docentes. Quando as interações são mediadas por computadores, sejam estas síncronas ou assíncronas, ultrapassam as barreiras de espaço e tempo, se adequando ao cotidiano dos professores, invariavelmente tomado por múltiplas atividades. Nesta investigação delineamos os seguintes objetivos: i) Construir uma CoP online ancorada no software social Facebook, como espaço virtual de interação entre os participantes; ii) Comprender as interações através duma CoP online como etapa na construção de competências; iii) Criar e desenvolver um programa de formações presenciais e online com vistas à desenvover as competências de Questionamento e Argumentação; e, iv) Avaliar os impactos da formação através da CoP online no desenvolvimento das competências do Questionamento e da Argumentação enquanto estratégia de promoção do ensino ativo. Como estratégia, optamos em promover as interações através do Facebook por não ocasionar custos aos participantes e por atender ao modelo de presença virtual já existente. Participaram das interações professores em exercício da Autarquia do Ensino Superior de Garanhuns (AESGA), situada no interior de Pernambuco, Brasil. As interações decorreram no período de Abril de 2012 até Março de 2013, numa comunidade fechada, de livre adesão através de convite. Para solidificar a aprendizagem através da CoP online promovemos dois ciclos de formação, um presencial e um online. Em ambas as intervenções visamos o desenvolvimento das competências do Questionamento e da Argumentação por entendermos que estas são competências instrumentais para o desenvolvimento do Pensamento Crítico e da reflexão essenciais ao docente na revisão constante de suas práticas. Nas sessões online, realizadas com o apoio do Skype e concretizadas no software ArguQuest para dinamizar atividades práticas no desenvolvimento das competências do Questionamento e da Argumentação do professor, oportunizando a este a construção coletiva de estratégias alternativas de ensino e de aprendizagem, fundamentadas no ensino ativo. O estudo foi realizado através dum estudo de caso único, alicerçado no paradigma naturalista e de abordagem qualitativa. Os dados de cariz numérico fundamentaram as análises qualitativas, promovendo também a triangulação dos dados. As interações entre os professores foram analisadas através do modelo IAM (Interaction Analysis Model) proposto por Gunawardena, Lowe e Anderson (1997), que tem como objetivo determinar se o conhecimento foi cosntruído através das interações e qual o grau de mudança do entendimento decorrente das interações. Para verificar esta construção do conhecimento analisamos os excertos de episódios interativos com apoio do software de análise qualitativa WebQDA (Neri de Souza, Costa & Neri de Souza, 2012). A análise das situações de aprendizagem planejadas e desenvolvidas demonstraram que as TIC, nomeadamente os softwares sociais, podem ser aplicados com eficiência no desenvolvimento de competências dos professores em exercício, apresentando-se como alternativa para a promoção da formação continuada de docentes. Em relação ao desenvolvimento das competências do Questionamento e da Argumentação, percebemos que os docentes foram sensibilizados para trabalhar com uma metodologia interativa, promovendo um ambiente favorável à aprendizagem ativa. Através da aplicação adaptada do modelo de construção de conhecimento preconizado no ArguQuest, foi possível acompanhar a prática do docente junto aos seus alunos, ampliando o seu repertório didático, e, sobretudo, implantando uma forma de aprender fundamentada na construção compartilhada de Questionamentos e Argumentos.

Laser assisted directional solidification of zirconia-based eutectics

Directionally solidified zirconia-based eutectic (DSE) fibres were obtained using the laser floating zone (LFZ) method. Two systems were investigated: zirconia-barium zirconate and zirconia-mullite. The purpose was to take advantage of zirconia properties, particularly as an ionic conductor and a mechanical rein-forcement phase. The influence of processing conditions in the structural and microstructural characteristics and their consequences on the electrical and mechanical behaviour were the focus of this thesis. The novel zirconia-barium zirconate eutectic materials were developed in order to combine oxygen ionic conduction through zirconia with protonic conduction from barium zirconate, promoting mixed ionic conduction behaviour. The mi-crostructure of the fibres comprises two alternated regions: bands having coarser zirconia-rich microstructure; and inter-band regions changing from a homogeneous coupled eutectic, at the lowest pulling rate, to columnar colony microstructure, for the faster grown fibres. The bands inter-distance increases with the growth rate and, at 300 mm/h, zirconia dendrites develop enclosed in a fine-interpenetrated network of 50 vol.% ZrO2-50 vol.% BaZrO3. Both phases display contiguity without interphase boundaries, according to impedance spec-troscopy data. Yttria-rich compositions were considered in order to promote the yttrium incorporation in both phases, as revealed by Raman spectroscopy and corroborated by the elemental chemical analysis in energy dispersive spectros-copy. This is a mandatory condition to attain simultaneous contribution to the mixed ionic conduction. Such results are supported by impedance spectrosco-py measurements, which clearly disclose an increase of total ionic conduction for lower temperatures in wet/reduction atmospheres (activation energies of 35 kJ/mol in N2+H2 and 48 kJ/mol in air, in the range of 320-500 ºC) compared to the dry/oxidizing conditions (attaining values close to 90 kJ/mol, above 500 ºC). At high temperatures, the proton incorporation into the barium zirconate is un-favourable, so oxygen ion conduction through zirconia prevails, in dry and oxi-dizing environments, reaching a maximum of 1.3x10-2 S/cm in dry air, at ~1000 ºC. The ionic conduction of zirconia was alternatively combined with another high temperature oxygen ion conductor, as mullite, in order to obtain a broad elec-trolytic domain. The growth rate has a huge influence in the amount of phases and microstructure of the directionally solidified zirconia-mullite fibres. Their microstructure changes from planar coupled eutectic to dendritic eutectic mor-phology, when the growth rate rises from 1 to 500 mm/h, along with an incre-ment of tetragonal zirconia content. Furthermore, high growth rates lead to the development of Al-Si-Y glassy phase, and thus less mullite amount, which is found to considerably reduce the total ionic conduction of as-grown fibres. The reduction of the glassy phase content after annealing (10h; 1400 ºC) promotes an increase of the total ionic conduction (≥0.01 S/cm at 1370 °C), raising the mullite and tetragonal zirconia contents and leading to microstructural differ-ences, namely the distribution and size of the zirconia constituent. This has important consequences in conductivity by improving the percolation pathways. A notable increase in hardness is observed from 11.3 GPa for the 10 mm/h pulled fibre to 21.2 GPa for the fibre grown at 500 mm/h. The ultra-fine eutectic morphology of the 500 mm/h fibres results in a maximum value of 534 MPa for room temperature bending strength, which decreases to about one-fourth of this value at high temperature testing (1400 ºC) due to the soft nature of the glassy-matrix.

Famílias envelhecidas: percursos e diversidade

O conhecimento sobre famílias envelhecidas é ainda escasso. Neste âmbito, a pesquisa tem incidido nos cuidados familiares a idosos dependentes, focando os problemas de saúde, dependência funcional e declínio cognitivo. Esta investigação pretende contribuir para aprofundar o conhecimento sobre as famílias envelhecidas, assumindo uma perspetiva normativa e desenvolvimental, e contemplando a diversidade de contextos de vida e envelhecimento. O capítulo 1 centra casais compostos por pessoas idosas, e tem por objetivos: caracterizar a estrutura, dinâmica e valores do agregado familiar dos casais idosos; evidenciar valores e dinâmica relacional dos casais idosos. A amostra compreende 136 participantes, a quem foi administrado um questionário sobre a fase última do ciclo de vida familiar (Cerveny,1997). A análise de dados efetuou-se com recurso ao programa de análise de dados estatística SPSS 17.1. Os resultados indicam que os casais vivem predominantemente em casal, com uma dinâmica relacional do agregado caracterizada pelo respeito, diálogo e carinho; dinâmica relacional do casal caracterizada por clima afetuoso, amizade e diálogo, e valores assentes no amor, diálogo e convívio familiar. A dinâmica relacional do casal é pautada por atividades de lazer realizadas em conjunto e vida sexual tão boa como antes; os valores dão ao casamento significados de realização pessoal e perpetuação através dos filhos na juventude, e adaptação e descoberta na velhice. O capítulo 2 foca a construção da integridade familiar considerando a diversidade de contextos socioeconómicos (pessoas idosas que viveram em contexto de pobreza ao longo da vida), socioculturais (ex-emigrantes portugueses) e novas formas de famílias (homens homossexuais). Foi aplicada uma entrevista semiestruturada (King & Wynne, 2004) a uma amostra de 12, 20 e 10 pessoas, respetivamente. A análise de dados foi efetuada com base na análise de conteúdo com recurso a juízes independentes baseada na grounded theory, contudo no caso do contexto socioeconómico recorreu-se ao programa de análise de dados qualitativa N-Vivo 7. Os resultados sugerem que a diversidade de contextos analisada coloca desafios à rutura familiar o que pode potenciar o caminho da desconexão e alienação. Contudo, o contexto das significações exerce um papel fundamental na construção da integridade familiar. A redefinição da identidade associada a uma filosofia de vida que enfatize as forças em vez dos fracassos parece determinar a construção da integridade familiar, contudo existem especificidades. Relativamente ao contexto socioeconómico: as pessoas idosas no caminho da integridade revelam um sentido de autovalorização (ter vivido uma vida significativa) apesar da pobreza; as pessoas idosas no caminho da desconexão/alienação alimentam sentimentos de insignificância devido à escassez de recursos económicos. Ainda neste contexto, os valores (princípios de conduta) reinterpretam a identidade ao longo da vida e permitem compreender que a integridade familiar ocorre quando ser pobre é encarado pelas conquistas; a desconexão/alienação emerge quando ser pobre incorpora sentimentos de desvalorização e inferioridade. No contexto sociocultural, as pessoas idosas ex-emigrantes cujo processo de emigração se desenvolveu em família (a família está envolvida no processo de emigração e funciona como um pilar desde a fase de decisão até ao regresso) desenvolveram uma filosofia de vida assente numa atitude ativa e solidária e estão em integridade familiar; as pessoas em desconexão relatam episódios de conflito familiar que marcam a trajetória de emigração, e uma atitude passiva na resolução desses conflitos até à atualidade; as pessoas em alienação familiar, cujo processo de emigração se desenrolou de forma solitária, desenvolvem uma filosofia de vida assente na luta solitária: a sua força e identidade estão em enfrentar tudo sem precisar de ninguém. Relativamente às novas formas de família, a integridade familiar evolui desde a revelação da homossexualidade (em idade jovem) e conclui-se na velhice quando a homossexualidade se torna um legado. A desconexão parece evoluir da luta constante da falha da aceitação da homossexualidade pela família e outras pessoas significativas. O capítulo 3 analisa as trajetórias de vida de homens homossexuais atualmente idosos, para compreender melhor a influência da homossexualidade e os principais eventos. Adotou-se a técnica da linha de acontecimentos de vida (Acquaviva et al., 2007), aplicada a 10 participantes com 60 anos ou mais. Os resultados sugerem que vários eventos de vida influenciam o curso de vida: i) o autoconhecimento da homossexualidade; ii) tentar passar por heterossexual; iii) assumir a homossexualidade (explicita ou implicitamente); iv) sentir limitações e desafios relacionados com o ser idoso e homossexual. O capítulo 4 procurou alargar a perspetiva do envelhecimento considerando uma abordagem transcultural. Assim, realizou-se um estudo numa comunidade indígena (Guarani Mbya, Brasil). Neste estudo analisase o modo de viver e ser idoso nessa comunidade. A amostra compreende 6 participantes a quem foi administrada uma entrevista aberta. Este estudo contemplou ainda a observação com registo etnográfico e realização de um diário de bordo. A análise de conteúdo efetuou-se com apoio do software de dados qualitativa WebQDA 1.4.3. Os resultados sugerem o papel das pessoas idosas na preservação de uma cultura ágrafa, garantindo que as tradições estejam presentes nas gerações atuais através da oralidade. A adoção de lentes normativas no estudo e compreensão das famílias envelhecidas permite compreender as tarefas desenvolvimentais e normativas no fim da vida.

Um modelo de medição e gestão de desempenho para as universidades públicas

Nas últimas décadas as instituições de ensino superior têm sido alvo de uma pressão crescente para aumentar a sua eficiência e a sua eficácia. Fatores como a diversificação da oferta formativa, a massificação, o aumento da internacionalização, entre outros, conduziram a uma maior monitorização das instituições e, por sua vez, geraram o desenvolvimento de novos sistemas de informação. A constante solicitação de informação, quer pelo Estado, quer pelo mercado constitui a base para a definição do objetivo desta investigação: construir um modelo integrado de medição e gestão de desempenho para as universidades públicas e testá-lo no universo português. Para a construção conceptual deste modelo foi realizada uma revisão da literatura baseada em diferentes contextos: organizacional, europeu e nacional. Este modelo foi depois aplicado às universidades públicas portuguesas recorrendo a dados disponibilizados por entidades públicas, tendo em conta a área de educação e formação (CNAEF). Uma análise descritiva aos dados constituiu uma contribuição desta investigação para a prática, no sentido de que permitiu fornecer um conjunto de recomendações às universidades e às entidades oficiais responsáveis pela recolha de dados a nível nacional, relativamente aos sistemas de informação e processos de recolha de dados. O modelo proposto constitui a contribuição teórica desta investigação, no sentido de que integra, no mesmo modelo, as diferentes dimensões de desempenho, a visão dos diferentes stakeholders, quer no contexto do ensino, quer no da investigação, quer no da própria gestão da universidade. A vertente analítica deste modelo, representada pelas diferentes relações entre os grupos de indicadores, foi testada recorrendo à técnica de análise de equações estruturais baseada na variância (nomeadamente Partial Least Squares) em quatro áreas CNAEF. Os resultados demonstraram que o comportamento em termos de medição e gestão de desempenho difere consoante a CNAEF, identificando um maior ajustamento às áreas hard e evidenciando que as áreas soft necessitam de indicadores mais ajustados às suas especificidades.

Formação de professores e atividades práticas de astronomia no 1º CEB

Os estudos sobre astronomia e educação em astronomia com professores em serviço são escassos e o seu aumento significativo, nos últimos anos, denota a importância desta área na literacia científica dos cidadãos. Há uma necessidade de divulgar esse conhecimento para superar algumas dificuldades, tais como, a prevalência de conceções alternativas e a falta de implementação de atividades práticas no 1º Ciclo do Ensino Básico. Neste contexto, foi implementado um estudo quasi-experimental com professores e alunos dos 3º e 4º anos de escolaridade de escolas da costa norte de Portugal, que integrou aplicação de questionários diagnósticos em mais de um momento, e uma ação de formação sobre astronomia, para professores. A intenção era verificar se as conceções em relação à astronomia, de professores e alunos, estavam em conformidade com as descritas na literatura, e se a ação de formação, com base em atividades práticas, concebidas com materiais acessíveis e adequadas para colocar em prática com os alunos, foi resposta para melhorar os seus conhecimentos científicos e a prática docente. A análise dos dados a partir do pré-teste revelou conceções alternativas de acordo com a literatura. Os resultados verificados no pós-teste, administrado um ano mais tarde, para o grupo experimental de professores, e comparados com os do grupo de controlo, mostraram que a totalidade dos elementos do grupo experimental evidenciaram uma melhoria significativa no conhecimento científico e uma mudança concetual, devido ao desenvolvimento profissional implementado. Também se verificou que a realização de atividades práticas, através de metodologia de investigação, permitiu que os alunos pudessem compreender como funciona a ciência, o que se traduziu em progresso ao nível das aprendizagens e atitudes. A prática efetiva de atividades hands-on e minds-on parece ser uma maneira apropriada para construir e reforçar o conhecimento científico nesta área, acerca de fenómenos não observáveis. Advoga-se, assim, a importância da formação de professores ao longo da carreira docente como forma de atualizar o processo de ensino e aprendizagem, tendo em vista uma escola capaz de preparar os alunos para uma sociedade cada vez mais exigente e influenciada pela constante mudança no conhecimento proporcionado pelo desenvolvimento científico e tecnológico.

Electromechanical properties of engineered lead free potassium sodium niobate based materials

K0.5Na0.5NbO3 (KNN), is the most promising lead free material for substituting lead zirconate titanate (PZT) which is still the market leader used for sensors and actuators. To make KNN a real competitor, it is necessary to understand and to improve its properties. This goal is pursued in the present work via different approaches aiming to study KNN intrinsic properties and then to identify appropriate strategies like doping and texturing for designing better KNN materials for an intended application. Hence, polycrystalline KNN ceramics (undoped, non-stoichiometric; NST and doped), high-quality KNN single crystals and textured KNN based ceramics were successfully synthesized and characterized in this work. Polycrystalline undoped, non-stoichiometric (NST) and Mn doped KNN ceramics were prepared by conventional ceramic processing. Structure, microstructure and electrical properties were measured. It was observed that the window for mono-phasic compositions was very narrow for both NST ceramics and Mn doped ceramics. For NST ceramics the variation of A/B ratio influenced the polarization (P-E) hysteresis loop and better piezoelectric and dielectric responses could be found for small stoichiometry deviations (A/B = 0.97). Regarding Mn doping, as compared to undoped KNN which showed leaky polarization (P-E) hysteresis loops, B-site Mn doped ceramics showed a well saturated, less-leaky hysteresis loop and a significant properties improvement. Impedance spectroscopy was used to assess the role of Mn and a relation between charge transport – defects and ferroelectric response in K0.5Na0.5NbO3 (KNN) and Mn doped KNN ceramics could be established. At room temperature the conduction in KNN which is associated with holes transport is suppressed by Mn doping. Hence Mn addition increases the resistivity of the ceramic, which proved to be very helpful for improving the saturation of the P-E loop. At high temperatures the conduction is dominated by the motion of ionized oxygen vacancies whose concentration increases with Mn doping. Single crystals of potassium sodium niobate (KNN) were grown by a modified high temperature flux method. A boron-modified flux was used to obtain the crystals at a relatively low temperature. XRD, EDS and ICP analysis proved the chemical and crystallographic quality of the crystals. The grown KNN crystals exhibit higher dielectric permittivity (29,100) at the tetragonal-to-cubic phase transition temperature, higher remnant polarization (19.4 μC/cm2) and piezoelectric coefficient (160 pC/N) when compared with the standard KNN ceramics. KNN single crystals domain structure was characterized for the first time by piezoforce response microscopy. It could be observed that <001> - oriented potassium sodium niobate (KNN) single crystals reveal a long range ordered domain pattern of parallel 180° domains with zig-zag 90° domains. From the comparison of KNN Single crystals to ceramics, It is argued that the presence in KNN single crystal (and absence in KNN ceramics) of such a long range order specific domain pattern that is its fingerprint accounts for the improved properties of single crystals. These results have broad implications for the expanded use of KNN materials, by establishing a relation between the domain patterns and the dielectric and ferroelectric response of single crystals and ceramics and by indicating ways of achieving maximised properties in KNN materials. Polarized Raman analysis of ferroelectric potassium sodium niobate (K0.5Na0.5)NbO3 (KNN) single crystals was performed. For the first time, an evidence is provided that supports the assignment of KNN single crystals structure to the monoclinic symmetry at room temperature. Intensities of A′, A″ and mixed A′+A″ phonons have been theoretically calculated and compared with the experimental data in dependence of crystal rotation, which allowed the precise determination of the Raman tensor coefficients for (non-leaking) modes in monoclinic KNN. In relation to the previous literature, this study clarifies that assigning monoclinic phase is more suitable than the orthorhombic one. In addition, this study is the basis for non-destructive assessments of domain distribution by Raman spectroscopy in KNN-based lead-free ferroelectrics with complex structures. Searching a deeper understanding of the electrical behaviour of both KNN single crystal and polycrystalline materials for the sake of designing optimized KNN materials, a comparative study at the level of charge transport and point defects was carried out by impedance spectroscopy. KNN single crystals showed lower conductivity than polycrystals from room temperature up to 200 ºC, but above this temperature polycrystalline KNN displays lower conductivity. The low temperature (T < 200 ºC) behaviour reflects the different processing conditions of both ceramics and single crystals, which account for less defects prone to charge transport in the case of single crystals. As temperature increases (T > 200 ºC) single crystals become more conductive than polycrystalline samples, in which grain boundaries act as barriers to charge transport. For even higher temperatures the conductivity difference between both is increased due to the contribution of ionic conduction in single crystals. Indeed the values of activation energy calculated to the high temperature range (T > 300 ºC) were 1.60 and 0.97 eV, confirming the charge transport due to ionic conduction and ionized oxygen vacancies in single crystals and polycrystalline KNN, respectively. It is suggested that single crystals with low defects content and improved electromechanical properties could be a better choice for room temperature applications, though at high temperatures less conductive ceramics may be the choice, depending on the targeted use. Aiming at engineering the properties of KNN polycrystals towards the performance of single crystals, the preparation and properties study of (001) – oriented (K0.5Na0.5)0.98Li0.02NbO3 (KNNL) ceramics obtained by templated grain growth (TGG) using KNN single crystals as templates was undertaken. The choice of KNN single crystals templates is related with their better properties and to their unique domain structure which were envisaged as a tool for templating better properties in KNN ceramics too. X-ray diffraction analysis revealed for the templated ceramics a monoclinic structure at room temperature and a Lotgering factor (f) of 40% which confirmed texture development. These textured ceramics exhibit a long range ordered domain pattern consisting of 90º and 180º domains, similar to the one observed in the single crystals. Enhanced dielectric (13017 at TC), ferroelectric (2Pr = 42.8 μC/cm2) and piezoelectric (d33 = 280 pC/N) properties are observed for textured KNNL ceramics as compared to the randomly oriented ones. This behaviour is suggested to be due to the long range ordered domain patterns observed in the textured ceramics. The obtained results as compared with the data previously reported on texture KNN based ceramics confirm that superior properties were found due to ordered repeated domain pattern. This study provides an useful approach towards properties improvement of KNN-based piezoelectric ceramics. Overall, the present results bring a significant contribution to the pool of knowledge on the properties of sodium potassium niobate materials: a relation between the domain patterns and di-, ferro-, and piezo-electric response of single crystals and ceramics was demonstrated and ways of engineering maximised properties in KNN materials, for example by texturing were established. This contribution is envisaged to have broad implications for the expanded use of KNN over the alternative lead-based materials.

Monitoring and all-optical signal processing techniques for transparent networks

Optical networks are under constant evolution. The growing demand for dynamism require devices that can accommodate different types of traffic. Thus the study of transparent optical networks arises. This approach makes optical networks more "elegant" , due to a more efficient use of network resources. In this thesis, the author proposes devices that intend to form alternative approaches both in the state of art of these same technologies both in the fitting of this technologies in transparent optical networks. Given that full transparency is difficult to achieve with current technology (perhaps with more developed optical computing this is possible), the author proposes techniques with different levels of transparency. On the topic of performance of optical networks, the author proposes two techniques for monitoring chromatic dispersion with different levels of transparency. In Chapter 3 the proposed technique seems to make more sense for long-haul optical transmission links and high transmission rates, not only due to its moderate complexity but also to its potential moderate/high cost. However it is proposed to several modulation formats, particularly those that have a protruding clock component. In Chapter 4 the transparency level was not tested for various modulation formats, however some transparency is achieved by not adding any electrical device after the receiver (other than an analog-digital converter). This allows that this technique can operate at high transmission rates in excess of 100 Gbit / s, if electro-optical asynchronous sampling is used before the optical receiver. Thus a low cost and low bandwidth photo-detector can be used. In chapter 5 is demonstrated a technique for simultaneously monitoring multiple impairments of the optical network by generating novel performance analysis diagrams and by use of artificial neural networks. In chapter 6 the author demonstrates an all-optical technique for controlling the optical state of polarization and an example of how all-optical signal processing can fully cooperate with optical performance monitoring.

Diamond microelectrodes for corrosion studies

Este trabalho teve como objetivos a produção, caracterização e aplicação de microelétrodos (MEs) de diamante como sensores amperométricos e potenciométricos em sistemas de corrosão nos quais a agressividade do meio e a presença de produtos de corrosão, constituem obstáculos que podem diminuir o desempenho, ou inviabilizar a utilização, de outros tipos de sensores. Os microeléctrodos são baseados em filmes finos de diamante dopado com boro (BDD – Boron Doped Diamond) depositados sobre fios de tungsténio afiados, através do método de deposição química a partir da fase vapor, assistida por filamento quente (HFCVD – Hot Filament Chemical Vapor Deposition). A otimização das diversas etapas de fabricação dos MEs deu origem ao desenvolvimento de um novo sistema de afiamento eletroquímico para obtenção destes fios e a várias opções para a obtenção dos filmes de diamante condutor e seu isolamento com resinas para exposição apenas da ponta cilíndrica. A qualidade cristalina dos filmes de diamante foi avaliada por espectroscopia de Raman. Esta informação foi complementada com uma caracterização microestrutural dos filmes de diamante por microscopia eletrónica de varrimento (SEM), em que se fez a identificação da tipologia dos cristais como pertencendo às gamas de diamante nanocristalino ou microcristalino. Os filmes de BDD foram utilizados na sua forma não modificada, com terminações em hidrogénio e também com modificação da superfície através de tratamentos de plasma RF de CF4 e O2 indutores de terminações C-F no primeiro caso e de grupos C=O, C-O-C e C-OH no segundo, tal como determinado por XPS. A caracterização eletroquímica dos MEs não modificados revelou uma resposta voltamétrica com elevada razão sinal/ruído e baixa corrente capacitiva, numa gama de polarização quasi-ideal com extensão de 3 V a 4 V, dependente dos parâmetros de crescimento e pós-tratamentos de superfície. Estudou-se a reversibilidade de algumas reações heterogéneas com os pares redox Fe(CN)6 3-/4- e FcOH0/+ e verificou-se que a constante cinética, k0, é mais elevada em elétrodos com terminações em hidrogénio, nos quais não se procedeu a qualquer modificação da superfície. Estes MEs não modificados foram também testados na deteção de Zn2+ onde se observou, por voltametria cíclica, que a detecção da redução deste ião é linear numa escala log-log na gama de 10-5-10-2 M em 5 mM NaCl. Realizaram-se também estudos em sistemas de corrosão modelares, em que os microeléctrodos foram usados como sensores amperométricos para mapear a distribuição de oxigénio e Zn2+ sobre um par galvânico Zn-Fe, com recurso a um sistema SVET (Scanning Vibrating Electrode Technique). Foi possível detetar, com resolução lateral de 100 μm, um decréscimo da concentração de O2 junto a ambos os metais e produção de catiões de zinco no ânodo. Contudo verificou-se uma significativa deposição de zinco metálico na superfície dos ME utilizados. Os MEs com superfície modificada por plasma de CF4 foram testados como sensores de oxigénio dissolvido. A calibração dos microeléctrodos foi efetuada simultaneamente por voltametria cíclica e medição óptica através de um sensor de oxigénio comercial. Determinou-se uma sensibilidade de ~0.1422 nA/μM, com um limite de deteção de 0.63 μM. Os MEs modificados com CF4 foram também testados como sensores amperométricos com os quais se observou sensibilidade ao oxigénio dissolvido em solução, tendo sido igualmente utilizados durante a corrosão galvânica de pares Zn-Fe. Em alguns casos foi conseguida sensibilidade ao ião Zn2+ sem que o efeito da contaminação superficial com zinco metálico se fizesse sentir. Os microeléctrodos tratados em plasma de CF4 permitem uma boa deteção da distribuição de oxigénio, exibindo uma resposta mais rápida que os não tratados além de maior estabilidade de medição e durabilidade. Nos MEs em que a superfície foi modificada com plasma de O2 foi possível detetar, por cronopotenciometria a corrente nula, uma sensibilidade ao pH de ~51 mV/pH numa gama de pH 2 a pH 12. Este comportamento foi associado à contribuição determinante de grupos C-O e C=O, observados por XPS com uma razão O/C de 0,16. Estes MEs foram igualmente testados durante a corrosão galvânica do par Zn-Fe onde foi possível mapear a distribuição de pH associada ao desenvolvimento de regiões alcalinas causadas pela redução do oxigénio, acima da região catódica, e de regiões ácidas decorrentes da dissolução anódica do ânodo de zinco. Com o par galvânico imerso em 50 mM NaCl registou-se uma variação de pH aproximadamente entre 4,8 acima do ânodo de zinco a 9,3 sobre o cátodo de ferro. A utilização pioneira destes MEs como sensores de pH é uma alternativa promissora aos elétrodos baseados em membranas seletivas.

Niobium oxides and niobates physical properties

Niobium oxides have been pointed as an alternative to tantalum in the production of solid electrolytic capacitors, with advantages regarding the dielectric constant, density and price. In this work, it is intended to create a new family of niobium oxides based capacitors, adapting the technology and production line currently used with tantalum. Despite the known potentialities of niobium oxides, and many types of niobates, in several technological applications, the understanding of these oxide systems is still noticeably insufficient. Hence, a careful bibliographic review is shown, which evidences the complexity of these materials, the difficulty in identifying of their different phases and polymorphs, as well as in the interpretation of their properties. In this context, several fundamental studies on niobium oxides are presented, namely structural, microstructural, optical and electrical characterizations, which allow not only to contribute in an important way for the general knowledge of the physical properties of these materials, but also to advance to a sustained development of the niobium oxides based solid electrolytic capacitors. Several processing parameters were studied, clearing the way towards the creation of a prototype. It was also decided to perform a preliminary study on the synthesis and characterization of other oxide systems based in niobium, namely rare-earth orthoniobates (RENbO4), which interest has been related to their optical properties and protonic conductivity. Hence, single and polycrystalline samples of RENbO4 were synthesized and characterized structural, optical and electrically, leaving open an interesting future work.