Properties of self-assembled diluted magnetic semiconductor nanostructures

Este trabalho centra-se na investigação da possibilidade de se conseguir um semicondutor magnético diluído (SMD) baseado em ZnO. Foi levado a cabo um estudo detalhado das propriedades magnéticas e estruturais de estruturas de ZnO, nomeadamente nanofios (NFs), nanocristais (NCs) e filmes finos, dopadas com metais de transição (MTs). Foram usadas várias técnicas experimentais para caracterizar estas estruturas, designadamente difracção de raios-X, microscopia electrónica de varrimento, ressonância magnética, SQUID, e medidas de transporte. Foram incorporados substitucionalmente nos sítios do Zn iões de Mn2+ e Co2+ em ambos os NFs e NCs de ZnO. Revelou-se para ambos os iões dopantes, que a incorporação é heterogénea, uma vez que parte do sinal de ressonância paramagnética electrónica (RPE) vem de iões de MTs em ambientes distorcidos ou enriquecidos com MTs. A partir das intensidades relativas dos espectros de RPE e de modificações da superfície, demonstra-se ainda que os NCs exibem uma estrutura core-shell. Os resultados, evidenciam que, com o aumento da concentração de MTs, a dimensão dos NCs diminui e aumentam as distorções da rede. Finalmente, no caso dos NCs dopados com Mn, obteve-se o resultado singular de que a espessura da shell é da ordem de 0.3 nm e de que existe uma acumulação de Mn na mesma. Com o objectivo de esclarecer o papel dos portadores de carga na medição das interacções ferromagnéticas, foram co-dopados filmes de ZnO com Mn e Al ou com Co e Al. Os filmes dopados com Mn, revelaram-se simplesmente paramagnéticos, com os iões de Mn substitucionais nos sítios do Zn. Por outro lado, os filmes dopados com Co exibem ferromagnetismo fraco não intrínseco, provavelmente devido a decomposição spinodal. Foram ainda efectuados estudos comparativos com filmes de ligas de Zn1-xFexO. Como era de esperar, detectaram-se segundas fases de espinela e de óxido de ferro nestas ligas; todas as amostras exibiam curvas de histerese a 300 K. Estes resultados suportam a hipótese de que as segundas fases são responsáveis pelo comportamento magnético observado em muitos sistemas baseados em ZnO. Não se observou nenhuma evidência de ferromagnetismo mediado por portadores de carga. As experiências mostram que a análise de RPE permite demonstrar directamente se e onde estão incorporados os iões de MTs e evidenciam a importância dos efeitos de superfície para dimensões menores que ~15 nm, para as quais se formam estruturas core-shell. As investigações realizadas no âmbito desta tese demonstram que nenhuma das amostras de ZnO estudadas exibiram propriedades de um SMD intrínseco e que, no futuro, são necessários estudos teóricos e experimentais detalhados das interacções de troca entre os iões de MTs e os átomos do ZnO para determinar a origem das propriedades magnéticas observadas.

Estudo óptico de cristais e heterostruturas de CdTe

Neste trabalho privilegiam-se as técnicas ópticas, nomeadamente a fotoluminescência a transmissão, a reflexão e a difusão de Raman na caracterização de defeitos e impurezas em cristais e heterostruturas de CdTe/GaAs. No primeiro capítulo efectua-se uma revisão sucinta das propriedades dos compostos II-VI e são colocados os problemas a investigar. O segundo capítulo é dedicado a alguns aspectos teóricos relevantes para a análise dos resultados obtidos nos capítulos quatro a nove. O equipamento utilizado e as experiências realizadas são descritas no terceiro capítulo. A caracterização por espectroscopia de luminescência do tipo de transições e dos defeitos envolvidos nas amostras de fábrica é efectuada com detalhe no quarto capítulo. Neste capítulo são analisadas ainda as emissões devidas a desvios estequiométricos causados pelo recozimento com excesso e defeito de Cd. No capítulo cinco são estudadas por fotoluminescência amostras dopadas intencionalmente com oxigénio por difusão e mostra-se que este elemento se comporta como trapa isoelectrónica no CdTe tal como acontece no ZnTe. Neste capítulo são estudadas também amostras dopadas com ferro pelo mesmo método e são apresentadas as dificuldades em colocar este dopante em sítios substitucionais, nomeadamente no sítio do Cd. No sexto capítulo é estudada a região 1.4 eV, evidenciando o seu comportamento em função da temperatura e da potência de excitação, o seu perfil e a interacção electrãorede. No sétimo capítulo mostra-se que a técnica micro-Raman com luz visível coerente não permite extrair conclusões fiáveis acerca das inclusões de Te na superfície do CdTe, uma vez que a radiação ao ser focada nas amostras, induz a formação de aglomerados nos quais o Te é o elemento dominante. Neste capítulo calcula-se também a concentração de portadores livres através da interacção do plasmão com o fonão óptico longitudinal. O oitavo capítulo é dedicado ao estudo de camadas de CdTe/GaAs com diferentes espessuras nomeadamente na análise da distribuição das deslocações e da deformação na superfície em função da espessura. Os resultados obtidos são comparados através da largura a meia altura das curvas de DCXRD (“Double Crystal X Ray Diffraction”) e dos espectros de reflectância. Por fotoluminescência, são caracterizados os defeitos introduzidos durante o crescimento, são utilizados e desenvolvidos modelos complementares na distinção do tipo de transições ópticas obtidas. No nono capítulo, por espectroscopia de absorção e de reflexão em cristais de CdTe e em camadas de CdTe/GaAs na região reststrahlen são determinadas as frequências dos modos ópticos longitudinal e transversal com bastante precisão. Os resultados obtidos — pelas relações de dispersão de Kramers- Kronig — são simulados pelo modelo do oscilador harmónico classico, mostrando que ambos os métodos descrevem de forma semelhante o comportamento do CdTe nessa região sendo possível determinar as frequências ópticas transversal e longitudinal, as constantes dieléctrica óptica e estática e os coeficientes de amortecimento e de Szigeti. Nas heterostruturas e nas camadas mais espessas determina-se também a concentração de portadores de carga n. No décimo capítulo resumem-se as conclusões do trabalho e são abordados aspectos relacionados com desenvolvimentos possíveis de futuros trabalhos.

Gestualidade e expressão musical : estudo experimental sobre a aplicação da teoria do movimento de Rudolf Laban na aprendizagem da regência e seus efeitos na performance e na expressividade musical

A presente investigação teve como objectivo aplicar, em contexto experimental, alguns conceitos e técnicas da Teoria do Movimento de Rudolf Laban numa acção de formação em regência e avaliar os respectivos efeitos nas competências gestuais dos regentes nela participantes. O estudo teve como base teórica o principio de que a gestualidade do regente é uma “manifestação exterior de impulsos interiores…” (Laban, 1978:32) e que a música, na sua essência, é uma “forma simbólica do sentimento humano”, “um movimento sonoro”, “… um análogo da vida emotiva”. (Susanne Langer, 1980:28) Com a adopção destes pressupostos procurou dar-se coerência às diferentes componentes envolvidas na problemática desta investigação. A parte experimental do estudo teve quatro momentos distintos. No primeiro, foi realizada uma gravação-vídeo para documentar os desempenhos dos estagiários antes da realização das formações (gravação pre-test). No segundo momento, os estagiários tiveram ocasião de frequentar um curso de Movimento Laban ministrado por um especialista nesta matéria, convidado para o efeito. Esta acção de formação terminou com uma gravação-vídeo, efectuada nas mesmas condições técnicas e programáticas da anterior (gravação post-test). Em terceiro lugar, realizou-se, sob orientação do autor do presente estudo, uma segunda acção de formação com o objectivo de plasmar os conceitos e técnicas de Laban na gestualidade específica da regência. Como corolário desta formação, foi realizado o último registo-vídeo (gravação repost-test). Estas gravações foram posteriormente editadas sem alterações técnicas e de conteúdo. Os dados, nelas constantes, foram analisados e avaliados por dois especialistas em regência, a partir de questionários previamente concebidos e fornecidos para o efeito. Após leitura dos pareceres dos especialistas expressos nesses questionários, o autor do presente estudo concluiu que a aplicação dos princípios e técnicas de Laban ao ensino da regência podem contribuir para promover, extensivamente, as competências gestuais dos regentes, tanto no plano da sua funcionalidade, como na sua dimensão expressiva.

Optical processing devices and techniques for next generation optical networks

Este trabalho surge do interesse em substituir os nós de rede óptica baseados maioritariamente em electrónica por nós de rede baseados em tecnologia óptica. Espera-se que a tecnologia óptica permita maiores débitos binários na rede, maior transparência e maior eficiência através de novos paradigmas de comutação. Segundo esta visão, utilizou-se o MZI-SOA, um dispositivo semicondutor integrado hibridamente, para realizar funcionalidades de processamento óptico de sinal necessárias em nós de redes ópticas de nova geração. Nas novas redes ópticas são utilizados formatos de modulação avançados, com gestão da fase, pelo que foi estudado experimentalmente e por simulação o impacto da utilização destes formatos no desempenho do MZI-SOA na conversão de comprimento de onda e formato, em várias condições de operação. Foram derivadas regras de utilização para funcionamento óptimo. Foi também estudado o impacto da forma dos pulsos do sinal no desempenho do dispositivo. De seguida, o MZI-SOA foi utilizado para realizar funcionalidades temporais ao nível do bit e do pacote. Foi investigada a operação de um conversor de multiplexagem por divisão no comprimento de onda para multiplexagem por divisão temporal óptica, experimentalmente e por simulação, e de um compressor e descompressor de pacotes, por simulação. Para este último, foi investigada a operação com o MZI-SOA baseado em amplificadores ópticos de semicondutor com geometria de poço quântico e ponto quântico. Foi também realizado experimentalmente um ermutador de intervalos temporais que explora o MZI-SOA como conversor de comprimento de onda e usa um banco de linhas de atraso ópticas para introduzir no sinal um atraso seleccionável. Por fim, foi estudado analiticamente, experimentalmente e por simulação o impacto de diafonia em redes ópticas em diversas situações. Extendeu-se um modelo analítico de cálculo de desempenho para contemplar sinais distorcidos e afectados por diafonia. Estudou-se o caso de sinais muito filtrados e afectados por diafonia e mostrou-se que, para determinar correctamente as penalidades que ocorrem, ambos os efeitos devem ser considerados simultaneamente e não em separado. Foi estudada a escalabilidade limitada por diafonia de um comutador de intervalos temporais baseado em MZI-SOA a operar como comutador espacial. Mostrou-se também que sinais afectados fortemente por não-linearidades podem causar penalidades de diafonia mais elevadas do que sinais não afectados por não-linearidades. Neste trabalho foi demonstrado que o MZI-SOA permite construir vários e pertinentes circuitos ópticos, funcionando como bloco fundamental de construção, tendo sido o seu desempenho analisado, desde o nível de componente até ao nível de sistema. Tendo em conta as vantagens e desvantagens do MZI-SOA e os desenvolvimentos recentes de outras tecnologias, foram sugeridos tópicos de investigação com o intuito de evoluir para as redes ópticas de nova geração.

Hydraulics of stepped chutes: experimental-numerical-theoretical study

O estudo de escoamentos turbulentos em descarregadores em degraus tem sido um desafio para os investigadores. A macro-rugosidade do leito, a ondulação da superfície livre, a intermitência da localização da secção inicial de entrada de ar e o escoamento bi-fásico a jusante da secção inicial de entrada de ar fazem com que a caracterização do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus não seja simples. Actualmente, é possível combinar técnicas de medição fiáveis com simulações numéricas e análise teórica. Nesta dissertação, o estudo experimental baseia-se em resultados experimentais obtidos em duas instalações experimentais: a instalação A, do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:0.75H e a instalação B, do Instituto Superior Técnico (IST), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:2H. Uma sonda de ar, um tubo de Pitot modificado e vários hidrómetros permitiram o estudo do escoamento deslizante sobre turbilhões mono- e bifásico ao longo do descarregador em degraus da instalação A. Na bacia de dissipação de energia, a observação visual do escoamento foi auxiliada pelas leituras efectuadas em tomadas de pressão localizadas na soleira da bacia e pelas leituras da altura do escoamento efectuadas em réguas graduadas localizadas nas paredes da bacia. Na instalação B foram utilizados um tubo de Pitot e vários hidrómetros para estudar a região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões no descarregador em degraus. O estudo numérico é baseado em simulações numéricas da região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões sobre descarregadores em degraus com o código comercial de CFD FLOW-3D® de modo a reproduzir as condições ensaiadas experimentalmente. As simulações beneficiaram da técnica de blocos múltiplos (multi-block) num sistema de coordenadas cartesianas, da determinação da superfície livre pelo método TruVOF e da utilização de dois modelos de turbulência: os modelos k- e RNG k-. Por último, o estudo teórico consistiu em desenvolver um modelo simplificado 1D para determinar as características hidráulicas principais do trecho não arejado do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus. O modelo foi desenvolvido a partir das equações de Navier-Stokes, conjuntamente com resultados experimentais e numéricos. Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para o conhecimento do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus, nomeadamente na região não arejada, na secção inicial de entrada de ar e na região arejada. A hidráulica dos dissipadores de energia a jusante de descarregadores em degraus, em particular das bacias tipo III do USBR, é também objecto de estudo. Em relação à região não arejada do escoamento em descarregadores com declive acentuado, e com base em resultados experimentais e numéricos, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, da espessura da camada limite, da concentração média de ar, do coeficiente de energia cinética, da dissipação de energia, do factor de resistência e do coeficiente n da fórmula de Manning. São ainda propostas expressões adimensionais para a energia cinética turbulenta e sua dissipação. Para declives moderados, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, do coeficiente de energia cinética e da energia específica residual. São ainda apresentados valores do expoente 1/N da expressão adimensional da distribuição de velocidades, quer para descarregadores com declive acentuado quer com declive moderado. Em conformidade com outros estudos centrados em escoamentos de parede e com derivações teóricas, para a região não arejada do escoamento em descarregadores em degraus de acentuado declive, observa-se que o factor de resistência depende da macro-rugosidade criada pelos degraus e da geometria da secção transversal e que o coeficiente n da fórmula de Manning aumenta com a rugosidade. A descrição estatística da turbulência do escoamento é igualmente explorada, contribuindo para o conhecimento da estrutura do escoamento. Observou-se que para números de Reynolds rugoso não superiores a 6.8x104 a energia cinética turbulência e a sua dissipação cumprem leis de semelhança. Estas expressões adimensionais estão de acordo com os resultados obtidos por outros autores para escoamentos completamente desenvolvidos em canais abertos e no escoamento em rios com leito de gravilha. Em acréscimo, a taxa de dissipação de energia, quer para descarregadores de declive acentuado quer de moderado declive, é baixa. Por último, observa-se que os valores da média temporal da concentração de ar entre 0 e 1 medidos na região não arejada do escoamento dizem respeito não só ao ar capturado entre ondas de água, na zona de ondulação da superfície livre, mas também ao ar emulsionado no escoamento, i.e., sob a forma de bolhas de ar, quando perto da secção média inicial de entrada de ar, devido à diferença entre localizações instantânea e média temporal. Foram revistas metodologias e fórmulas para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar e apresentadas expressões para estimar a concentração média de ar e a altura equivalente de água nessa secção. Relativamente à região de escoamento arejado em descarregadores em degraus com declive acentuado, os resultados experimentais apresentados nesta dissertação permitiram estimar a influência da definição da superfície livre nos parâmetros hidráulicos da região do escoamento arejado e estimar a máxima elevação do escoamento nesta região do escoamento. Com base nos resultados experimentais obtidos na bacia de dissipação de energia do tipo III do USBR localizada a jusante do descarregador em degraus da instalação A, observou-se que os perfis da altura piezométrica e da altura do escoamento tendem a seguir o perfil recomendado pelo USBR para bacias tipo III. A excepção ocorre à entrada da bacia, onde as alturas piezométricas apresentadas nesta dissertação excedem largamente as apresentadas pelo USBR. É ainda observado que, tal como entre as bacias tipo I e tipo III do USBR, o ressalto hidráulico estabiliza muito mais rapidamente numa bacia tipo III a jusante de um descarregador em degraus do que uma bacia tipo I a jusante do mesmo descarregador em degraus. Finalmente, observa-se que os blocos de amortecimento a colocar no descarregador não têm influência visível nos resultados da altura piezométrica nem da altura do escoamento ao longo da bacia. Relativamente às simulações numéricas do escoamento não arejado, a proximidade entre resultados experimentais e numéricos permite validar o modelo teórico e a integração numérica usados no FLOW-3D®. As simulações desenvolvidas também mostraram que o modelo de turbulência k- permite representar as características do escoamento não arejado em descarregadores em degraus, uma vez que não foram observadas diferenças significativas entre as simulações com este modelo e com o modelo RNG k-. Finalmente, observou-se que o modelo de entrada de ar usado no FLOW-3D® é válido para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar. Por último, a proximidade entre os resultados obtidos da aplicação do modelo teórico desenvolvido no âmbito desta dissertação e os resultados experimentais indica que as hipóteses e simplificações consideradas no desenvolvimento do modelo são adequadas.

Educação em ciências no pré-escolar: contributos de um programa de formação de educadores de infância para implementação do trabalho experimental

A educação em ciências em conformidade com as orientações dimanadas do Ministério da Educação deve iniciar-se desde os primeiros anos e por consequência tem de ser uma das áreas a trabalhar no âmbito da educação pré-escolar. No entanto, vários investigadores referem que os educadores não atribuem a devida importância a esta área e explicam que esta postura se pode dever à insegurança científica e didáctica destes profissionais que, por sua vez, pode estar associada à escassez de formação no domínio das ciências durante todo o seu percurso académico. Tendo em conta este contexto, desenvolvemos este estudo de natureza empírica. As questões a que pretendemos dar resposta tinham a ver com: (i) que formação inicial e continuada os educadores tiveram no domínio das ciências?; (ii) quais as suas necessidades para trabalharem esta área no jardim-de-infância?; e (iii) qual o impacte de um programa de formação (PF) nas práticas didáctico-pedagógicas dos educadores? A investigação, de natureza qualitativa, assumiu o formato de estudo de caso e envolveu seis educadoras de infância do Distrito de Bragança. Para desenvolvimento do estudo tivemos em consideração quatro fases: numa primeira começamos por fazer a caracterização das necessidades de formação dos educadores para trabalharem as ciências no pré-escolar; a partir das ideias identificadas concebemos, produzimos e implementamos o PF; posteriormente fizemos o acompanhamento e observação de sessões desenvolvidas pelas educadoras na sala de jardim-deinfância; a quarta fase correspondeu à avaliação do impacte do PF nas práticas didáctico-pedagógicas das educadoras. Utilizámos várias técnicas e instrumentos para recolha dos dados que nos possibilitaram conhecer a formação oferecida aos educadores, ao nível do trabalho experimental de ciências nos cursos de formação inicial e continuada e caracterizar: (i) as concepções sobre CTS antes e após a implementação do PF; e (ii) as práticas didáctico-pedagógicas das educadoras colaboradoras. Os dados recolhidos e, posteriormente, analisados evidenciaram a diminuição do numero de respostas ingénuas permitindo-nos afirmar que o PF contribuiu para que as seis educadoras colaboradoras alterassem as suas concepções sobre CTS e passaram a desenvolver as suas práticas didáctico-pedagógicas na área das ciências de acordo com esta perspectiva. Assim, podemos concluir que o PF teve um impacte muito positivo, pois permitiu às educadoras compreender a importância da abordagem das ciências na educação préescolar e despertar o seu interesse para práticas didáctico-pedagógicas inovadoras com orientação CTS, que privilegiem como estratégia a realização do trabalho prático e experimental. Cotejando minuciosamente o nosso estudo com as opiniões contidas na vasta literatura que compendiámos e revimos, consideramos que este estudo representa um contributo, ainda que modesto, a ter em conta na organização de programas de formação continuada de educadores de infância que vão ao encontro das suas necessidades e que favoreçam o seu desenvolvimento profissional, social e pessoal, opinião que sustentamos por tudo aquilo que dimana e flui, com meridiana clarividência, das conclusões que fomos extraindo ao longo de todo o estudo e consubstanciámos na síntese conclusiva final.

Formação continuada de professores para a educação em ciências no 2º CEB : conceções e práticas de índole experimental

A Formação Continuada de Professores de Ciências assume-se como uma via capaz de ajudar os alunos a desenvolver competências, como as de resolução de problemas. Nesta perspetiva, a Educação em Ciências deve visar o desenvolvimento de cidadãos cada vez mais participativos, responsáveis, capazes de tomar decisões conscientes, exigindo-se o desenvolvimento da literacia científica como uma meta a alcançar pelas escolas. Uma das estratégias considerada como potenciadora do desenvolvimento de tais competências é o trabalho experimental desenvolvido com os alunos, durante as aulas de Ciências de 2.º CEB. Neste contexto, desenvolveu-se um Programa de Formação Continuada de Professores em Ensino Experimental das Ciências no 2.º CEB, procurando-se avaliar o seu impacte nas conceções e práticas de índole experimental de quatro professores. Assim, formularam-se as seguintes questões de investigação: Qual o impacte do Programa de Formação para uma Educação em Ciências de base experimental: a) na (re)construção das conceções dos professores do 2.º CEB acerca do Trabalho Experimental?; b) e na promoção intencional, por parte dos professores envolvidos, de práticas didático-pedagógicas de base experimental no 2.º CEB? De forma a dar resposta às questões formuladas, desenvolveu-se uma investigação de natureza qualitativa, que pretendeu contribuir para a compreensão da relação entre a formação continuada de professores e as conceções e práticas de índole experimental desenvolvidas na disciplina de Ciências da Natureza, do 2.º CEB. O planeamento escolhido foi o de estudo de caso com quatro professoras participantes na formação continuada, tendo-se recorrido a várias técnicas e instrumentos de recolha e análise de dados. Para a caraterização das conceções das professoras sobre trabalho experimental foi utilizada a entrevista semi-estruturada, o Diário do Investigador e as transcrições das aulas destas professoras, bem como a reflexão oral nas sessões de acompanhamento com a Formadora. Este último instrumento também foi usado para a caracterização das práticas das professoras, assim como o Instrumento de Caraterização das Práticas Didático-Pedagógicas de índole experimental, desenvolvido para o presente estudo. Utilizou-se ainda um Questionário de Avaliação do Programa de Formação e os Portefólios das quatro professoras do estudo, para se obter a avaliação destas docentes acerca do Programa de Formação frequentado. Os resultados parecem indicar que, antes do Programa de Formação, apenas a Professora D apresentava conceções acerca de trabalho experimental, em sintonia com a perspetiva defendida na revisão de literatura. Após o Programa de Formação as quatro professoras revelaram conceções mais realistas acerca de trabalho experimental. Relativamente às práticas de índole experimental, antes do Programa de Formação, nenhuma das professoras colaboradoras do estudo implementava esta estratégia com os alunos. Após o Programa de Formação, todas as docentes passaram a contemplar nas suas práticas o trabalho experimental. De uma maneira geral, no que concerne à avaliação do Programa de Formação, as quatro docentes consideram que este teve impacte quer nas suas conceções quer nas suas práticas de índole experimental, destacando a importância do contributo das sessões de acompanhamento em sala de aula, com a Formadora, para a implementação efetiva do trabalho experimental nas suas práticas. A partir dos resultados obtidos, concluiu-se que o Programa de Formação contribuiu para que as quatro professoras colaboradoras do estudo (re) construíssem as suas conceções sobre trabalho experimental e para que o privilegiassem efetivamente nas suas aulas. O presente estudo visou contribuir para o desenvolvimento da formação de professores em ensino experimental das ciências, no que respeita à clarificação de conceções sobre o trabalho experimental e sua implementação efetiva com os alunos, dando-lhes autonomia e apelando ao desenvolvimento das suas capacidades de pensamento, relacionadas, por exemplo, com a identificação e controlo de variáveis.