Propriedades ópticas de nanocristais de SiGe: efeitos de dopagem e desordem

We have used ab initio calculations to investigate the electronic structure of SiGe based nanocrystals (NC s). This work is divided in three parts. In the first one, we focus the excitonic properties of Si(core)/Ge(shell) and Ge(core)/Si(shell) nanocrystals. We also estimate the changes induced by the effect of strain the electronic structure. We show that Ge/Si (Si/Ge) NC s exhibits type II confinement in the conduction (valence) band. The estimated potential barriers for electrons and holes are 0.16 eV (0.34 eV) and 0.64 eV (0.62 eV) for Si/Ge (Ge/Si) NC s. In contradiction to the expected long recombination lifetimes in type II systems, we found that the recombination lifetime of Ge/Si NC s (τR = 13.39μs) is more than one order of magnitude faster than in Si/Ge NC s (τR = 191.84μs). In the second part, we investigate alloyed Si1−xGex NC s in which Ge atoms are randomly positioned. We show that the optical gaps and electron-hole binding energies decrease linearly with x, while the exciton exchange energy increases with x due to the increase of the spatial extent of the electron and hole wave functions. This also increases the electron-hole wave functions overlap, leading to recombination lifetimes that are very sensitive to the Ge content. Finally, we investigate the radiative transitions in Pand B-doped Si nanocrystals. Our NC sizes range between 1.4 and 1.8 nm of diameters. Using a three-levels model, we show that the radiative lifetimes and oscillator strengths of the transitions between the conduction and the impurity bands, as well as the transitions between the impurity and the valence bands are strongly affected by the impurity position. On the other hand, the direct conduction-to-valence band decay is practically unchanged due to the presence of the impurity

Investigação da estabilidade térmica e das propriedades elétricas do TiO2 em função da dopagem com Ce(SO4)2

The metalic oxides have been studies due to differents applications as materials semiconductor in solar cells, catalysts, full cells and, resistors. Titanium dioxide (TiO2) has a high electric conductivity due to oxygen vacancies. The Ce(SO4)2.2H2O doped samples TiO2 and TiO2 pure was obtained sol-gel process, and characterized by X-ray diffractometry,thermal analysis, and impedance spectroscopy. The X-ray diffraction patterns for TiO2 pure samples shows at 700°C anatase phase is absent, and only the diffraction peaks of rutile phase are observed. However, the cerium doped samples only at 900°C rutile in the phase present with peaks of cerium dioxide (CeO2). The thermal analysis of the TiO2 pure and small concentration cerium doped samples show two steps weight loss corresponding to water of hydration and chemisorbed. To larger concentration cerium doped samples were observed two steps weight loss in the transformation of the doped cerium possible intermediate species and SO3. Finally, two steps weight loss the end products CeO2 and SO3 are formed. Analyse electric properties at different temperatures and concentration cerium doped samples have been investigated by impedance spectroscopy. It was observed that titanium, can be substituted by cerium, changing its electric properties, and increased thermal stability of TiO2 anatase structure

Influência da dopagem com oxigênio nas propriedades anelásticas e biocompatibilidade de ligas Ti-5%pNb e Ti-10%pNb

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

Efeitos da dopagem nas propriedades elétricas do sistema supercondutor BSCCO com elemento terra rara

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Síntese, dopagem e caracterização das resinas furfurílica e fenol-furfurílica visando a otimização do processamento de carbono vítreo

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Estudo da dopagem no óxido de manganês tipo espinélio nanoestruturado no desempenho de um sensor potenciométrico para íons lítio

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estrutura eletrônica e propriedades elétricas fotoinduzidas em filmes finos de SnO2 com dopagem de Sb, e formação de heteroestruturas com TiO2

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Propriedades ópticas do Mn2+ em sistemas Mg-Si-O

O objetivo deste trabalho foi investigar amostras do tipo MgSiO dopadas com 1,0% e 5,0% de Mn2+, obtidas em temperatura ambiente que luminesceram na faixa do vermelho. As amostras foram produzidas por reação de estado sólido sob alta temperatura e caracterizadas e pelo método de difração de raios X. Para análise das características físicas presentes na amostra após a dopagem, usamos a espectroscopia de fotoluminescência. Através da teoria do campo cristalino, dos espectros de luminescência e excitação e com a ajuda do diagrama e das matrizes de Tanabe-Sugano, foi possível identificar as luminescências, os níveis de energia excitados, os parâmetros de energia do campo cristalino, os parâmetros de Racah e a simetria do sítio ocupado por Mn2+.

Identificação da formação de titanato de bário a partir de mistura reacional calcinada em diferentes temperaturas via difração de raios X, espectroscopia fotoacústica e análise térmica

Os materiais ferroelétricos têm sido utilizados em muitas áreas da tecnologia e da ciência, pois possuem um grande número de aplicações, como: sensores; transdutores; capacitores; dispositivos ópticos; dentre outras. A busca por novos materiais cerâmicos ferroelétricos tem sido grande. Um dos materiais cerâmicos ferroelétricos mais estudados é o titanato de bário (BT). São vários os métodos de produção e caracterização do titanato de bário. Neste trabalho, pós cerâmicos de titanato de bário foram obtidos por reação do estado sólido a partir de misturas reacionais calcinadas em diferentes temperaturas entre 400C e 900C. Foram três as misturas reacionais: não dopadas; dopadas com 1%; e dopadas com 5% de dióxido de cério (CeO2). A identificação da formação do BT, nos pós cerâmicos produzidos, foi feita a partir de três técnicas de caracterização: difração de raios X (DRX); espectroscopia fotoacústica (PAS); e técnicas de análise térmica. Com a técnica DRX, difratogramas mostraram que a plena formação do titanato de bário ocorreu a partir da temperatura de calcinação de 700C. Para a amostra não dopada com cério e calcinada a 800C, houve deslocamento de todos os picos de difração. Nas amostras dopadas com dióxido de cério houve deslocamento de todos os picos de difração, em relação as amostras não dopadas. Observou-se também que nas amostras dopadas com 5% de CeO2, e calcinadas a 700C e 800C, resíduos de dióxido de cério foram observados nos difratogramas. Com a técnica PAS, espectros de absorção foram obtidos. Foi possível observar uma grande diferença de absorção da amostra calcinada a 600 e 630C, indicando a formação do titanato de bário a partir da temperatura de 630C, nas amostras sem a dopagem dióxido de cério. Houve um alargamento nas bandas de absorção a partir da temperatura de 600C, quando o dióxido de cério entrou na matriz. Foi também possível determinar as energias de band-gap das amostras utilizando o método de Tauc. Com as técnicas de análise térmica, em especial através da técnica termogravimétrica (TG/DTG), foi comprovado que até 400C não havia formação de titanato de bário. Visto que nesta temperatura de calcinação houve a maior perda de massa durante a rampa de aquecimento. O início da formação do titanato de bário foi observado a partir da temperatura de calcinação de 500C, assim como nas técnicas DRX e PAS. Portanto, com os resultados apresentados, foi demonstrada a identificação da formação do titanato de bário nas misturas reacionais calcinadas, com auxílio das potencialidades das três técnicas utilizadas.

Sínteses e caracterizações de TiO2 puro, dopado e co-dopado pelo método sol-gel e suas atividades fotocatalíticas

Nanopartículas de dióxido de titânio vêm sendo extensamente empregadas como fotocatalisa-dores, já que são eficientes na degradação de diversos poluentes. Visando a obtenção de titâ-nias com diferentes propriedades, realizaram-se sínteses através do método sol-gel, a partir da hidrólise do tetraisopropóxido de titânio (IV) TIPP e seguindo-se os princípios da Química Verde, dispensando-se temperaturas e pressões elevadas. Foi estudada a influência de dife-rentes parâmetros, como: pH, solvente, razão molar álcool/TIPP e ordem de adição dos rea-gentes. Foram obtidas titânias na forma cristalina anatásio, nanométricas, com elevadas áreas superficiais específicas e predominantemente mesoporosas. Visando-se obter titânias com melhores propriedades óticas, isto é, capazes de sofrer a fotoativação pela luz visível, foram sintetizadas titânias dopadas e co-dopadas com os metais ferro e rutênio (Fe3+ e Ru3+) e o a-metal N (N3). A síntese desses materiais também foi realizada através do método sol-gel, sendo a dopagem realizada durante o processo de hidrólise. As amostras foram caracterizadas na forma de pó por difração de raios-X, adsorção-dessorção de nitrogênio, microscopia ele-trônica de varredura e espectroscopia de refletância difusa no UV-Visível. A titânia pura a-presentou como única fase cristalina o anatásio, quando calcinada até 400 C, com a presença de traços de brookita. A partir de 600 C, observou-se o aparecimento da fase rutilo, que em 900C foi a única fase encontrada na titânia. A dopagem com Ru3+dificultou a transformação de fase anatásio para rutilo, ao contrário da dopagem com Fe3+. O processo de co-dopagem acelerou a formação de rutilo, que se apresentou como única fase nas amostras calcinadas a 600 C. As titânias dopadas apresentaram uma leve diminuição na energia de bandgap, sendo os dopantes capazes de deslocar a absorção para o vermelho. Foram realizados testes fotoca-talíticos visando à degradação do azocorante Reactive Yellow 145 com lâmpada de vapor de mercúrio de 125 W a fim de se comparar as atividades fotocatalíticas das titânias puras, dopa-das e co-dopadas, calcinadas a 300C. De todas as titânias sintetizadas, a titânia pura foi a que melhor degradou o corante, tendo um desempenho semelhante ao do TiO2 P25, da Evo-nik

Magnetic impurities in nanostructured materials

Os resultados apresentados aqui foram alcançados no âmbito do programa de doutoramento intitulado “Impurezas Magnéticas em Materiais Nanoestruturados”. O objectivo do estudo foi a síntese e caracterização de óxido contendo impurezas magnéticas. Durante este trabalho, sínteses de sol-gel não-aquoso têm sido desenvolvidos para a síntese de óxidos dopados com metais de transição (ZnO e ZrO2). A dopagem uniforme é particularmente importante no estudo de semicondutores magnéticos diluídos (DMSs) e o ponto principal deste estudo foi verificar o estado de oxidação e a estrutura local do dopante e para excluir a existência de uma fase secundária como a origem do ferromagnetismo. Para alargar o âmbito da investigação e explorar plenamente o conceito de "impurezas magnéticas em materiais nanoestruturados" estudamos as propriedades de nanopartículas magnéticas dispersas em uma matriz de óxido. As nanopartículas (ferrita de cobalto) foram depositadas como um filme e cobertas com um óxido metálico semicondutor ou dielétrico (ZnO, TiO2). Estes hetero-sistemas podem ser considerados como a dispersão de impurezas magnéticas em um óxido. As caracterizações exigidas por estes nanomateriais têm sido conduzidas na Universidade de Aveiro e Universidade de Montpellier, devido ao equipamento complementar.

Nonaqueous sol-gel routes to doped metal oxide nanoparticles: synthesis, characterization, assembly and properties

The results presented in this thesis have been achieved under the Ph.D. project entitled “Nonaqueous Sol-Gel routes to doped metal oxide nanoparticles: Synthesis, characterization, assembly and properties”. The purpose of this study is the investigation of metal oxide nanostructures doped with metals of a diverse nature, leading to different type of applications. The easier control over the reaction kinetics in solvothermal routes, compared to aqueous methods, allows to better match the reactivity between metal oxide precursors, paving the way to a facile and low temperature production of doped oxides. In this manuscript diverse examples of the exploitation of the “Benzyl Alcohol Route” are discussed. Such a powerful pathway was utilized for the synthesis of transition metal doped zirconia, hafnia and various perovskites, and the study of their magnetic properties, as well as the synthesis of rare earth doped zirconium oxide. A further extension, proving the solidity of the synthetic method, is shown for the preparation of Li4Ti5O12 nanocrystals carrying excellent electrochemical properties for lithium-ion battery applications. Finally, the effect of doping and other reaction parameters on the assembly of the nanocrystals is discussed. These studies were carried out principally at the University of Aveiro, as well as at the University of Montpellier II and at the Seoul National University due to complementary available expertises and equipments.

Self-referencing thermometry in the nanoscale

Na ´ultima d´ecada emergiu uma linha de investiga¸c˜ao muito activa em term´ometros n˜ao invasivos e precisos que possam determinar temperatura `a escala nanom´etrica. Esta investiga¸c˜ao foi fortemente estimulada pelas numerosas solicita¸c˜oes da nanotecnologia e da biomedicina, por exemplo. Uma das abordagens mais promissoras prop˜oe o uso de i˜oes trivalentes de lantan´ıdeos que apresenta propriedades fotoluminescentes que dependem da temperatura. Neste trabalho demonstra-se que esta t´ecnica combina as vantagens de te um limite de detec¸c˜ao de 0.5 graus com sensibilidade at´e 4.5 % · K−1. Este term´ometro molecular pode ser processado em filmes finos ou nanopart´ıculas, abrindo os campos de aplica¸c˜ao a diferentes utiliza¸c˜oes. As nanopart´ıculas de s´ılica produzidas s˜ao caracterizadas na presen¸ca e na ausˆencia de i˜oes lantan´ıdeos. Sem o metal, as nanopart´ıculas de APTES/TEOS demonstram ser luminescentes sob excita¸c˜ao UV sem necessidade de utilizar qualquer tratamento t´ermico. O rendimento quˆantico de emiss˜ao depende apenas da propor¸c˜ao dos silanos e pode atingir o valor de 0.15 ± 0.02. A co-dopagem destas nanopart´ıculas com Eu3+ e Tb3+ permite obter sondas com resposta raciom´etrica, com a possibilidade de ajustar a gama de temperaturas de opera¸c˜ao e a sensibilidade, via desenho inteligente da matriz de suporte e dos ligandos de β-dicetona que est˜ao coordenados ao i˜ao met´alico. Quando processados como filmes, este term´ometro permite o mapeamento de temperaturas com resolu¸c˜ao espacial 1.8 μm. A racionaliza¸c˜ao da dependˆencia de temperatura ´e uma ferramenta ´util para desenvolver term´ometros que operam em gamas de temperatura espec´ıficos (e.g. gama de temperatura fisiol´ogica, 290-340 K) com sensibilidade acima de 0.5 % · K−1. A combina¸c˜ao de esfor¸cos de um grande n´umero de diversas disciplinas ir´a previsivelmente permitir o surgimento de term´ometros moleculares novos e sofisticados, preenchendo os principais requisitos das nanociencias.

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.

Validação do método de deteção de eritropoietina recombinante humana em urina humana por focalização isoelétrica

A eritropoietina (EPO) é uma substância que estimula a produção de eritrócitos, aumentando a oxigenação muscular, sendo segregada de forma natural pelo organismo e excretada na urina em baixas concentrações. Devido às suas propriedades e características, a EPO foi rapidamente introduzida no mundo do desporto, como substância ilícita, proporcionando vantagens no rendimento desportivo. No início de 2000 foi desenvolvido um método de deteção direta de EPO Recombinante (rHuEPO) em urina humana por Lasne, baseado na focalização isoelétrica (IEF) em gel de poliacrilamida, seguido de duplo blote, tendo este sido publicado e validado. Em 2002, a Agência Mundial Antidopagem (AMA) implementou este mesmo método, sendo atualmente um dos métodos oficiais utilizado pelos laboratórios acreditados pela AMA. Desta forma, o ponto de partida para a realização deste trabalho consistiu na necessidade de implementar e validar o método de referência de IEF para a deteção de rHuEPO em urina humana. O trabalho foi realizado no Laboratório de Análises e Dopagem (LAD) do Instituto do Desporto de Portugal (IDP), atual Instituto Português do Desporto e Juventude (IPDJ). O principal objetivo deste trabalho consistiu no estudo/investigação de diferentes parâmetros de validação (especificidade/seletividade; capacidade de identificação; limite de deteção; exatidão e repetibilidade), de acordo com o protocolado no Procedimento Geral interno do Laboratório de Análises de Dopagem de Lisboa (LAD). O referido método de triagem e confirmação revelou possuir características de desempenho conformes com os requisitos aplicáveis, pelo que é considerado validado e apto.