Functional alkali tantalate 2D structures for microelectronics and related applications

Alkali tantalates and niobates, including K(Ta / Nb)O3, Li(Ta / Nb)O3 and Na(Ta / Nb)O3, are a very promising ferroic family of lead-free compounds with perovskite-like structures. Their versatile properties make them potentially interesting for current and future application in microelectronics, photocatalysis, energy and biomedics. Among them potassium tantalate, KTaO3 (KTO), has been raising interest as an alternative for the well-known strontium titanate, SrTiO3 (STO). KTO is a perovskite oxide with a quantum paraelectric behaviour when electrically stimulated and a highly polarizable lattice, giving opportunity to tailor its properties via external or internal stimuli. However problems related with the fabrication of either bulk or 2D nanostructures makes KTO not yet a viable alternative to STO. Within this context and to contribute scientifically to the leverage tantalate based compounds applications, the main goals of this thesis are: i) to produce and characterise thin films of alkali tantalates by chemical solution deposition on rigid Si based substrates, at reduced temperatures to be compatible with Si technology, ii) to fulfil scientific knowledge gaps in these relevant functional materials related to their energetics and ii) to exploit alternative applications for alkali tantalates, as photocatalysis. In what concerns the synthesis attention was given to the understanding of the phase formation in potassium tantalate synthesized via distinct routes, to control the crystallization of desired perovskite structure and to avoid low temperature pyrochlore or K-deficient phases. The phase formation process in alkali tantalates is far from being deeply analysed, as in the case of Pb-containing perovskites, therefore the work was initially focused on the process-phase relationship to identify the driving forces responsible to regulate the synthesis. Comparison of phase formation paths in conventional solid-state reaction and sol-gel method was conducted. The structural analyses revealed that intermediate pyrochlore K2Ta2O6 structure is not formed at any stage of the reaction using conventional solid-state reaction. On the other hand in the solution based processes, as alkoxide-based route, the crystallization of the perovskite occurs through the intermediate pyrochlore phase; at low temperatures pyrochlore is dominant and it is transformed to perovskite at >800 °C. The kinetic analysis carried out by using Johnson-MehlAvrami-Kolmogorow model and quantitative X-ray diffraction (XRD) demonstrated that in sol-gel derived powders the crystallization occurs in two stages: i) at early stage of the reaction dominated by primary nucleation, the mechanism is phase-boundary controlled, and ii) at the second stage the low value of Avrami exponent, n ~ 0.3, does not follow any reported category, thus not permitting an easy identification of the mechanism. Then, in collaboration with Prof. Alexandra Navrotsky group from the University of California at Davis (USA), thermodynamic studies were conducted, using high temperature oxide melt solution calorimetry. The enthalpies of formation of three structures: pyrochlore, perovskite and tetragonal tungsten bronze K6Ta10.8O30 (TTB) were calculated. The enthalpies of formation from corresponding oxides, ∆Hfox, for KTaO3, KTa2.2O6 and K6Ta10.8O30 are -203.63 ± 2.84 kJ/mol, - 358.02 ± 3.74 kJ/mol, and -1252.34 ± 10.10 kJ/mol, respectively, whereas from elements, ∆Hfel, for KTaO3, KTa2.2O6 and K6Ta10.8O30 are -1408.96 ± 3.73 kJ/mol, -2790.82 ± 6.06 kJ/mol, and -13393.04 ± 31.15 kJ/mol, respectively. The possible decomposition reactions of K-deficient KTa2.2O6 pyrochlore to KTaO3 perovskite and Ta2O5 (reaction 1) or to TTB K6Ta10.8O30 and Ta2O5 (reaction 2) were proposed, and the enthalpies were calculated to be 308.79 ± 4.41 kJ/mol and 895.79 ± 8.64 kJ/mol for reaction 1 and reaction 2, respectively. The reactions are strongly endothermic, indicating that these decompositions are energetically unfavourable, since it is unlikely that any entropy term could override such a large positive enthalpy. The energetic studies prove that pyrochlore is energetically more stable phase than perovskite at low temperature. Thus, the local order of the amorphous precipitates drives the crystallization into the most favourable structure that is the pyrochlore one with similar local organization; the distance between nearest neighbours in the amorphous or short-range ordered phase is very close to that in pyrochlore. Taking into account the stoichiometric deviation in KTO system, the selection of the most appropriate fabrication / deposition technique in thin films technology is a key issue, especially concerning complex ferroelectric oxides. Chemical solution deposition has been widely reported as a processing method to growth KTO thin films, but classical alkoxide route allows to crystallize perovskite phase at temperatures >800 °C, while the temperature endurance of platinized Si wafers is ~700 °C. Therefore, alternative diol-based routes, with distinct potassium carboxylate precursors, was developed aiming to stabilize the precursor solution, to avoid using toxic solvents and to decrease the crystallization temperature of the perovskite phase. Studies on powders revealed that in the case of KTOac (solution based on potassium acetate), a mixture of perovskite and pyrochlore phases is detected at temperature as low as 450 °C, and gradual transformation into monophasic perovskite structure occurs as temperature increases up to 750 °C, however the desired monophasic KTaO3 perovskite phase is not achieved. In the case of KTOacac (solution with potassium acetylacetonate), a broad peak is detected at temperatures <650 °C, characteristic of amorphous structures, while at higher temperatures diffraction lines from pyrochlore and perovskite phases are visible and a monophasic perovskite KTaO3 is formed at >700 °C. Infrared analysis indicated that the differences are due to a strong deformation of the carbonate-based structures upon heating. A series of thin films of alkali tantalates were spin-coated onto Si-based substrates using diol-based routes. Interestingly, monophasic perovskite KTaO3 films deposited using KTOacac solution were obtained at temperature as low as 650 °C; films were annealed in rapid thermal furnace in oxygen atmosphere for 5 min with heating rate 30 °C/sec. Other compositions of the tantalum based system as LiTaO3 (LTO) and NaTaO3 (NTO), were successfully derived as well, onto Si substrates at 650 °C as well. The ferroelectric character of LTO at room temperature was proved. Some of dielectric properties of KTO could not be measured in parallel capacitor configuration due to either substrate-film or filmelectrode interfaces. Thus, further studies have to be conducted to overcome this issue. Application-oriented studies have also been conducted; two case studies: i) photocatalytic activity of alkali tantalates and niobates for decomposition of pollutant, and ii) bioactivity of alkali tantalate ferroelectric films as functional coatings for bone regeneration. Much attention has been recently paid to develop new type of photocatalytic materials, and tantalum and niobium oxide based compositions have demonstrated to be active photocatalysts for water splitting due to high potential of the conduction bands. Thus, various powders of alkali tantalates and niobates families were tested as catalysts for methylene blue degradation. Results showed promising activities for some of the tested compounds, and KNbO3 is the most active among them, reaching over 50 % degradation of the dye after 7 h under UVA exposure. However further modifications of powders can improve the performance. In the context of bone regeneration, it is important to have platforms that with appropriate stimuli can support the attachment and direct the growth, proliferation and differentiation of the cells. In lieu of this here we exploited an alternative strategy for bone implants or repairs, based on charged mediating signals for bone regeneration. This strategy includes coating metallic 316L-type stainless steel (316L-SST) substrates with charged, functionalized via electrical charging or UV-light irradiation, ferroelectric LiTaO3 layers. It was demonstrated that the formation of surface calcium phosphates and protein adsorption is considerably enhanced for 316L-SST functionalized ferroelectric coatings. Our approach can be viewed as a set of guidelines for the development of platforms electrically functionalized that can stimulate tissue regeneration promoting direct integration of the implant in the host tissue by bone ingrowth and, hence contributing ultimately to reduce implant failure.

Estudo aerodinâmico e estrutural de um autogiro

O trabalho apresentado teve como principal objetivo a caracterização dos problemas aerodinâmicos e estruturais a serem observados no projeto de um Autogiro. Numa primeira etapa do trabalho, alguns conceitos básicos dos princípios da aerodinâmica que gera forças durante o voo destas aeronaves são delineadas. Numa segunda parte os componentes integrantes de um autogiro são modelados, onde alguns serão examinados por elementos finitos. Seguidamente foi realizado um cálculo á sustentação da asa, de modo a que o autogiro consiga levantar voo. Posteriormente, realizaram-se cálculos em algumas ligações aparafusadas, que se consideraram ser mais importantes para a intensidade das forças. Este cálculo teve como o objetivo, determinar se as ligações aparafusadas respeitam o critério de segurança. Finalmente, executou-se uma análise em elementos finitos na estrutura e no rotor, de maneira a avaliar o comportamento em termos da distribuição de tensões. Nesta etapa final também foi realizada uma análise às vibrações do autogiro, determinando as frequências naturais na estrutura e asa do rotor.

Liderança, virtuosidade e criatividade explicando o desempenho de equipes

As organizações estão se tornando cada vez mais competitivas e buscando, constantemente, formas de aumentar o seu desempenho através da compreensão dos fatores que o antecedem. A nossa investigação incorpora dois estudos, ambos incidentes sobre as lojas de uma grande cadeia de varejo brasileira. O primeiro estudo, envolvendo 68 lojas, investiga como a liderança autêntica explica o desempenho das lojas através do efeito mediador da virtuosidade e da potência das equipes (uma espécie de sentido de eficácia coletiva). O segundo estudo, abrangendo 46 lojas, testa como a potência das equipes explica o respetivo desempenho através do efeito mediador da criatividade. Os principais resultados são: (a) a relação entre a liderança autêntica e o desempenho das lojas é totalmente mediada pela virtuosidade e pela potência das equipes; (b) a criatividade medeia a relação entre a potência das equipes e o desempenho das lojas; (c) a criatividade não explica diretamente o desempenho, mas parece influenciá-lo através do efeito mediador da potência. Os cuidados metodológicos destinados a diminuir os riscos de variância do método comum aumentam a validade dos estudos. Ao focar variáveis relacionadas com a virtuosidade, a liderança autêntica, e as forças das equipes, e ao incluir dados de desempenho objetivo, a nossa investigação é um contributo relevante para o movimento dos “Estudos Organizacionais Positivos”.

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.

Estudo da maquinabilidade das ligas Ti-6Al-4V e Co-28Cr-6Mo na fresagem de dispositivos biomédicos

Os estudos de maquinabilidade de biomateriais e outros materiais aplicados na área médica são extensos. Todavia, muitos destes estudos recorrem a modelos de geometria regular e operações elementares de maquinagem. Relativamente a estas, os estudos académicos atualmente disponíveis mostram que a tecnologia preferencial é o torneamento, opção que se fundamenta na simplicidade de análise (corte ortogonal). Saliente-se ainda que, neste contexto, a liga de titânio Ti-6Al-4V constitui o biomaterial mais utilizado. Numa perspetiva complementar, refira-se que as publicações científicas evidenciam que a informação disponível sobre a fresagem Ti-6Al-4V não é muito extensa e a do Co-28Cr-6Mo é quase inexistente. A presente dissertação enquadra-se neste domínio e representa mais uma contribuição para o estudo da maquinabilidade das ligas de Titânio e de crómio-cobalto. A aplicação de operações de maquinagem complexas, através do recurso a programas informáticos de fabrico assistido por computador (CAM), em geometrias complexas, como é o caso das próteses femorais anatómicas, e o estudo comparativo da maquinabilidade das ligas Co-28Cr-6Mo e Ti-6Al-4V, constituem os objetivos fundamentais deste trabalho de doutoramento. Neste trabalho aborda-se a problemática da maquinabilidade das ligas metálicas usadas nos implantes ortopédicos, nomeadamente as ligas de titânio, de crómiocobalto e os aços Inoxidáveis. Efetua-se ainda um estudo da maquinagem de uma prótese femoral com uma forma geométrica complexa, onde as operações de corte foram geradas recorrendo às tecnologias de fabrico assistido por computador (CAD/CAM). Posteriormente, procedeu-se ao estudo da maquinabilidade das duas ligas usadas neste trabalho, dando uma atenção particular à determinação das forças de corte para diferentes velocidades de corte. Para além da monitorização da evolução da força de corte, o desgaste das ferramentas, a dureza e a rugosidade foram avaliadas, em função da velocidade de corte imposta. Por fim, com base nas estratégias de maquinagem adotadas, analisa-se a maquinabilidade e selecionam-se os parâmetros de corte mais favoráveis para as ligas de Titânio e Crómio-cobalto. Os resultados obtidos mostram que a liga de crómio-cobalto induz maior valor de força de corte do que a liga de titânio. Observa-se um aumento progressivo das forças de corte quando a velocidade de corte aumenta, até atingir o valor máximo para a velocidade de corte de 80m/min, após a qual, a força de corte tende a diminuir. Apesar do fabricante das ferramentas recomendar a velocidade de corte de 50 m/min para ambos os materiais, conclui-se que a velocidade de corte de 65 m/min induz o mesmo desgaste na ferramenta de corte no caso da liga de titânio, e menor desgaste no caso da liga de crómio-cobalto.

Avaliação da vulnerabilidade sísmica de edifícios escolares

A grande motivação para este trabalho resultou na avaliação da vulnerabilidade sísmica das escolas básicas e secundárias que fazem parte integrante do parque escolar de Portugal Continental. Apesar de até ao momento apenas se terem estudado a vulnerabilidade de algumas escolas em algumas zonas particulares do nosso país, para este trabalho de investigação tivemos uma ambição muito maior e obviamente fizemos um esforço muito maior. Estabelecemos assim como meta, a avaliação de todo o parque escolar. Embora todo o parque escolar possua na ordem das três centenas de escolas em todo o território nacional e sendo este projeto de reabilitação, um projeto com a duração de 2007 a 2015. Em 2011, por motivos da crise económica, todo o projeto congelou sendo reabilitadas até à data cerca de apenas um terço das escolas. Esta quantidade foi o número de escolas que avaliamos em todo o país. As escolas, sendo edifícios públicos com uma importância fundamental, tanto pela elevada concentração de jovens, como pela função essencial como centros de aprendizagem para as gerações vindouras, como também pela ameaça que representam na eventualidade dum cenário sísmico pela enorme densidade de utilizadores, e pela vantagem de nesse cenário de catástrofe a importância estrutural ser superior em relação à maior parte dos edifícios correntes, devidamente demonstrado pelos argumentos enumerados, consequentemente as escolas podem servir como instalações de proteção civil perante uma catástrofe sísmica para apoio das populações circundantes afetadas. Portanto para cada uma das escolas cordialmente fornecidas pelo Parque Escolar, E.P.E., foi feito um estudo exaustivo e muito individual de cada uma das escolas, onde cada análise foi desenvolvida por uma metodologia simplificada, sendo cada análise sempre individual, e nunca tendo sida aplicada em série, este fator melhora substancialmente a eficácia da avaliação para a quantificação das vulnerabilidades e da determinação do grau de dano e das frações de perda para os requisitos fundamentais de limitação de danos, de não colapso, e de colapso iminente que correspondem a ações com períodos de retorno de 95, 475 e 975 anos. Este trabalho é fundamental para as entidades competentes terem a consciência da vulnerabilidade das escolas secundárias, para puderem atuar a nível estrutural e diminuir assim a vulnerabilidade sísmica, e mesmo que por impossibilidade económica o poder governamental não intervenha, então pode e principalmente deve, elaborar planos de emergência tanto com engenheiros civis qualificados como com a total colaboração das corporações de bombeiros que fazem parte das forças de operação e socorro da Autoridade Nacional de Proteção Civil (ANPC).

Saber escutar, saber incluir o cidadão com deficiência: uma investigação participativa

O presente trabalho consiste no relatório final de investigação participativa que desenvolvemos tendo como ponto de partida uma preocupação que vivenciamos diariamente, ou seja, a exploração do preconceito diretamente relacionado com as pessoas com deficiência. Sustentado na revisão bibliográfica, o primeiro capítulo focar-se-á na construção social da deficiência e do estigma, mostrando ainda a evolução do modelo de eliminação para o modelo de inclusão da deficiência. Analisa-se, ainda, a importância da escola inclusiva. Tendo como contexto uma IPSS onde trabalhamos, este projeto envolveu quatro participantes que frequentam cursos profissionais e são portadoras de deficiência. Utilizando a investigação-participativa como metodologia, a entrevista e as conversas informais como técnicas de investigação, procurámos construir conhecimento sobre a mudança da realidade através de um processo de reflexão das participantes sobre as suas próprias vidas, a expressão das suas necessidades com o intuito de gerar e reconhecer forças no coletivo e de explorar novos caminhos para a mudança no estatuto social destas mulheres. De todo este processo será dado conta no trabalho que aqui se apresenta.