Modelo de Marcus, elementos de matriz de tunelamento, efeitos de solvente e controle nuclear em reações de transferência de elétrons

This paper aims to give an initial presentation to physics students of the area of electron transfer, addressing its major aspects. The subject is then presented in an introductory way, highlighting and discussing the key points. Primarily, the problem is approached in a simplified manner through a two-state system, and aspects of calculating the matrix-element are discussed. Then, the electron transfer problem, influenced by nuclear reaction coordinates, is addressed and treated by the Marcus theory. Time scales and the concepts of adiabatic and nonadiabatic phenomena are discussed in the context of electron transfer. The classical, semi-classical and quantum formalisms of for the nuclear reactions coordinates are presented, and aspects of solvents are also discussed. Finally, we conclude by examining some recent examples of problems discussed in the literature.

Tunelamento quântico molecular: efeito de acoplamentos no malonaldeído

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Pontos polêmicos acerca do forrageamento de cupins subterrâneos (Isoptera: Rhinotermitidae): consumo de alimentos similares, reutilização de iscas e tunelamento em solos não uniformes

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

Tempos de tunelamento

Pós-graduação em Física - IFT

Uma abordagem de potencial e massa efetiva e a descrição de espaço de fase quântico para tratar sistemas de spins: Caracterizando o tunelamento de spin e propriedades da molécula de Fe8

Pós-graduação em Física - IFT

Estudo de transistores de tunelamento induzido por efeito de campo (TFET) construídos em nanofio.

Esse trabalho de mestrado teve como estudo o transistor Túnel-FET (TFET) fabricado em estrutura de nanofio de silício. Este estudo foi feito de forma teórica (simulação numérica) e experimental. Foram estudadas as principais características digitais e analógicas do dispositivo e seu potencial para uso em circuitos integrados avançados para a próxima década. A análise foi feita através da extração experimental e estudo dos principais parâmetros do dispositivo, tais como inclinação de sublimiar, transcondutância (gm), condutância de saída (gd), ganho intrínseco de tensão (AV) e eficiência do transistor. As medidas experimentais foram comparadas com os resultados obtidos pela simulação. Através do uso de diferentes parâmetros de ajuste e modelos de simulação, justificou-se o comportamento do dispositivo observado experimentalmente. Durante a execução deste trabalho estudou-se a influência da escolha do material de fonte no desempenho do dispositivo, bem como o impacto do diâmetro do nanofio nos principais parâmetros analógicos do transistor. Os dispositivos compostos por fonte de SiGe apresentaram valores maiores de gm e gd do que aqueles compostos por fonte de silício. A diferença percentual entre os valores de transcondutância para os diferentes materiais de fonte variou de 43% a 96%, sendo dependente do método utilizado para comparação, e a diferença percentual entre os valores de condutância de saída variou de 38% a 91%. Observou-se também uma degradação no valor de AV com a redução do diâmetro do nanofio. O ganho calculado a partir das medidas experimentais para o dispositivo com diâmetro de 50 nm é aproximadamente 45% menor do que o correspondente ao diâmetro de 110 nm. Adicionalmente estudou-se o impacto do diâmetro considerando diferentes polarizações de porta (VG) e concluiu-se que os TFETs apresentam melhor desempenho para baixos valores de VG (houve uma redução de aproximadamente 88% no valor de AV com o aumento da tensão de porta de 1,25 V para 1,9 V). A sobreposição entre porta e fonte e o perfil de dopantes na junção de tunelamento também foram analisados a fim de compreender qual combinação dessas características resultariam em um melhor desempenho do dispositivo. Observou-se que os melhores resultados estavam associados a um alinhamento entre o eletrodo de porta e a junção entre fonte e canal e a um perfil abrupto de dopantes na junção. Por fim comparou-se a tecnologia MOS com o TFET, obtendo-se como resultado um maior valor de AV (maior do que 40 dB) para o TFET.

Estágios iniciais da eletrodeposição de cobalto e níquel acompanhados por EC-STM e EC-AGFM

Neste trabalho foram eletrodepositados filmes ultrafinos de cobalto e níquel sobre substrato de Au/mica. Os estágios iniciais da deposição foram acompanhados in-situ pelo uso das técnicas de EC-STM (microscopia de varredura por tunelamento – modo eletroquímico) e EC-AGFM (magnetome tria de força de gradiente de campo alternado – modo eletroquímico), que se constitui em uma nova técnica para avaliação de propriedades magnéticas de filmes ultrafinos eletrodepositados. Como resultado, foi obtido o comportamento eletroquímico do eletrodo de Au/mica em meios contendo cobalto ou níquel, acrescidos ou não, dos aditivos: sacarina e tiouréia e a caracterização magnética dos filmes formados. Os dados obtidos por EC-STM revelaram a estrutura dos filmes de cobalto e níquel em baixa espessura (algumas monocamadas). A deposição de cobalto inicia com uma bicamada e o crescimento continua quase camada por camada. Para o caso do níquel o modo de crescimento está associado ao potencial aplicado: filmes crescidos em –1,1VMSE apresentaram nucleação instantânea, enquanto para –1,2VMSE foi observada nucleação progressiva. Pela análise dos dados obtidos por EC-AGFM, foi possível relacionar a estrutura dos filmes as suas propriedades magnéticas. Foi encontrada anisotropia magnética perpendicular somente para os filmes de cobalto em torno de 1,3ML de espessura. O efeito dos aditivos sacarina e tiouréia nas medidas magnéticas também foi estudado.

Análise do modelo t-J e sua aplicação aos compostos de óxidos de cobre

Neste trabalho estudamos modelos teóricos que descrevem sistemas eletrônicos fortemente correlacionados, em especial o modelo t-J, e suas aplicações a compostos de óxidos de cobre, notadamente os compostos que apresentam supercondutividade de alta temperatura crítica e o composto Sr2CuO2Cl2. No primeiro capítulo do trabalho, fazemos uma exposição de três modelos que envolvem o tratamento das interações elétron-elétron, que são os modelos de Hubbard de uma banda, o modelo de Heisenberg e o modelo t-J. Na dedução deste último fazemos uma expansão canônica do hamiltoniano de Hubbard, no limite de acoplamento forte, levando-nos a obter um novo hamiltoniano que pode ser utilizado para descrever um sistema antiferromagnético bidimensional na presen- ça de lacunas, que é exatamente o que caracteriza os compostos supercondutores de alta temperatura crítica na sua fase de baixa dopagem.Após termos obtido o hamiltoniano que descreve o modelo t-J, aplicamos à este uma descrição de polarons de spin, numa representação de holons, que são férmions sem spin, e spinons, que são bósons que carregam somente os graus de liberdade de spin. Utilizando uma função de Green para descrever a propagação do polaron pela rede, obtemos uma equação para a sua autoenergia somando uma série de diagramas de Feynman, sendo que para este cálculo utilizamos a aproxima ção de Born autoconsistente[1]. Do ponto de vista numérico demonstramos que a equação integral de Dyson resultante do tratamento anterior não requer um procedimento iterativo para sua solução, e com isto conseguimos trabalhar com sistemas com grande número de partículas. Os resultados mostram, como um aspecto novo, que o tempo de vida média do holon tem um valor bastante grande no ponto (π,0 ) da rede recíproca, perto da singularidade de Van Hove mencionada na literatura[2]. Este aspecto, e suas implicações, é amplamente discutido neste capítulo. No capítulo 3 estudamos o modelo estendido t-t'-J, com tunelamento à segundos vizinhos e a incorporação dos termos de três sítios[3]. Fazemos a mesma formulação do capítulo anterior, e discutimos as aplicações dos nossos resultados ao óxido mencionado anteriormente. Finalmente, no último capítulo apresentamos uma aplicação original do modelo t-J à uma rede retangular, levemente distorcida, e demonstramos que os resultados do capítulo 3 são reproduzidos sem necessidade de introduzir termos de tunelamento adicionais no hamiltoniano. Esta aplicação pode se tornar relevante para o estudo das fases de tiras encontradas recentemente nesses materiais de óxidos de cobre.

Estudo de propriedades magnéticas de filmes finos de cobalto sobre Si(111)

O crescimento de lmes nos ferromagnéticos sobre uma superfícies vicinal induz uma anisotropia uniaxial que atua juntamente com a anisotropia magnetocrislanina. Neste estudo, lmes nos de Co foram depositados sobre Si(111) para investigar o papel dessa anisotropia nas propriedades magnéticas do lme. Os substratos foram preparados quimicamente via uma solução de NH4F e caracterizados via microscopia de força atômica. Os lmes, depositados via desbaste iônico, foram caracterizados estruturalmente via difratometria de raio-x e microscopia de tunelamento. As propriedades magnéticas foram determinadas via magnetometria a efeito Kerr magnetoóptico, onde observou-se a presen ça de uma anisotropia uniaxial dominante. Um modelo fenomelógico de reversão da magnetização via rotação coerente foi aplicado para ajustar as curvas de histerese, e as constantes de anisotropia uniaxial para cada espessura foram determinadas.

Estudo das propriedades magnéticas e estruturais de filmes ultrafinos de Fe, Co e Ni/Au(111) produzidos por eletrodeposição

Neste trabalho foram estudadas as propriedades magnéticas e estruturais de filmes ultrafinos de Fe, Co e Ni produzidos por eletrodeposição sobre substratos de Au(111). Os estágios iniciais de crescimento dos filmes foram estudados por técnicas de caracterização “in-situ”. Uma nova técnica de caracterização do estado magnético de filmes ultrafinos eletrodepositados (EC-AGFM) foi utilizada, mostrando-se uma poderosa ferramenta para o estudo das propriedades magnéticas dos filmes. Outras técnicas, como STM “in-situ”, PMOKE “in-situ”, EXAFS, XRD, RBS foram utilizadas. A análise dos dados revelaram resultados diferentes para os filmes de Fe e Co/Au(111), em comparação aos filmes de Ni/Au(111). Enquanto a anisotropia magnética perpendicular (PMA) foi observada para os filmes de Fe e Co/Au(111), não foi observada para os filmes de Ni/Au(111). Os resultados são interpretados em termos das contribuições para a anisotropia magnética dos filmes. No caso do níquel, a degradação de suas propriedades magnéticas são atribuídas à incorporação de hidrogênio durante a deposição. Os resultados das análises magnética e estrutural são correlacionados a fim de compreender o comportamento das propriedades observadas. Os resultados são comparados aos obtidos por técnicas em vácuo.

Nanoestruturas de ferro crescidas em superfícies vicinais de silício: morfologia, estrutura e magnetismo

Neste trabalho foram estudadas as propriedades morfológicas, estruturais e magnéticas de nanoestruturas de Fe crescidas em Si(111) vicinal. A análise de superfície foi feita usando microscopia de força atômica e microscopia de tunelamento, e as medidas de caracterização estrutural, por espectroscopia de absorção de raios-X. As propriedades magnéticas foram investigadas usando dois métodos distintos: efeito Kerr magneto-óptico e magnetômetro de força de gradiente alternado. Os substratos foram preparados quimicamente com uma solução NH4F e caracterizados por microscopia de força atômica. As análises morfológicas das superfícies permitiram classificá-las em dois grupos: Si(111)- monoatômicos e Si(111)-poliatômicos. Filmes finos de ferro de 1.5, 3, 6 e 12 nm foram crescidos sobre eles. A análise das superfícies indicou dois modos diferentes de crescimento do ferro; o sistema Fe(x)Si(111)-monoatômico resulta em grãos de ferro aleatoriamente distribuídos, e o sistema Fe(x)Si(111)-poliatômico em nanogrãos de ferro alongados na direção perpendicular aos degraus, auto-organizados. Particularmente no filme Fe(3 nm)/Si(111)-poliatômico, ao redor de metade dos grãos estão alinhados ao longo da direção [110] , ou seja, paralelo aos degraus. O padrão de nanogrãos de ferro alongados orientados perpendicular aos degraus foi interpretado com uma conseqüência da anisotropia induzida durante o processo de deposição e a topologia do substrato Si(111)-poliatômico. Uma forte relação entre a morfologia e a resposta magnética dos filmes foi encontrada. Um modelo fenomenológico foi utilizado para interpretar os dados experimentais da magnetização, e uma excelente concordância entre as curvas experimentais e calculadas foi obtida.

Caracterização de Fe granular em matriz de Al/sub 2/O/sub 3/

Neste trabalho é apresentada a caracterização de amostras de filmes finos granulares de Fe- Al2O3, obtidas por evaporação em ultra alto vácuo. Duas amostras com composições diferentes foram obtidas. A espectroscopia de Espalhamento de Rutherford (Rutherford Backscattering Spectroscopy - RBS) foi utilizada para determinar a fração volumétrica de metal e a espessura das amostras, cujos valores obtidos foram 43% e 34% respectivamente. A morfologia das amostras foi investigada por difração de raios-x a qual mostrou a existência de grãos de ferro com 30Å de diâmetro e orientação cristalina preferencial (110) embebidos em uma matriz amorfa de Al2O3. As medidas de magnetização também mostraram que as duas amostras apresentavam uma distribuição de tamanhos de grão de ferro com valor médio de 24Å, estando de acordo com os resultados obtidos por difração de raios-x. A magneto-resistência observada em temperatura ambiente pode ser explicada pelo tunelamento dependente de spin dos elétrons de condução entre os grãos de ferro. Os resultados das medidas de RxT e IxV mostraram que o principal mecanismo de transporte foi o tunelamento termicamente ativado, o que está de acordo com a teoria apresentada por Abeles.

Efeitos da interação dipolar na nucleação de vórtices em nano-cilindros magnéticos

The effect of confinement on the magnetic structure of vortices of dipolar coupled ferromagnetic nanoelements is an issue of current interest, not only for academic reasons, but also for the potential impact in a number of promising applications. Most applications, such as nano-oscillators for wireless data transmission, benefit from the possibility of tailoring the vortex core magnetic pattern. We report a theoretical study of vortex nucleation in pairs of coaxial iron and Permalloy cylinders, with diameters ranging from 21nm to 150nm, and 12nm and 21nm thicknesses, separated by a non-magnetic layer. 12nm thick iron and Permalloy isolated (single) cylinders do not hold a vortex, and 21nm isolated cylinders hold a vortex. Our results indicate that one may tailor the magnetic structure of the vortices, and the relative chirality, by selecting the thickness of the non-magnetic spacer and the values of the cylinders diameters and thicknesses. Also, the dipolar interaction may induce vortex formation in pairs of 12nm thick nanocylinders and inhibit the formation of vortices in pairs of 21nm thick nanocylinders. These new phases are formed according to the value of the distance between the cylinderes. Furthermore, we show that the preparation route may control relative chirality and polarity of the vortex pair. For instance: by saturating a pair of Fe 81nm diameter, 21nm thickness cylinders, along the crystalline anisotropy direction, a pair of 36nm core diameter vortices, with same chirality and polarity is prepared. By saturating along the perpendicular direction, one prepares a 30nm diameter core vortex pair, with opposite chirality and opposite polarity. We also present a theoretical discussion of the impact of vortices on the thermal hysteresis of a pair of interface biased elliptical iron nanoelements, separated by an ultrathin nonmagnetic insulating layer. We have found that iron nanoelements exchange coupled to a noncompensated NiO substrate, display thermal hysteresis at room temperature, well below the iron Curie temperature. The thermal hysteresis consists in different sequences of magnetic states in the heating and cooling branches of a thermal loop, and originates in the thermal reduction of the interface field, and on the rearrangements of the magnetic structure at high temperatures, 5 produce by the strong dipolar coupling. The width of the thermal hysteresis varies from 500 K to 100 K for lateral dimensions of 125 nm x 65 nm and 145 nm x 65 nm. We focus on the thermal effects on two particular states: the antiparallel state, which has, at low temperatures, the interface biased nanoelement with the magnetization aligned with the interface field and the second nanoelement aligned opposite to the interface field; and in the parallel state, which has both nanoelements with the magnetization aligned with the interface field at low temperatures. We show that the dipolar interaction leads to enhanced thermal stability of the antiparallel state, and reduces the thermal stability of the parallel state. These states are the key phases in the application of pairs of ferromagnetic nanoelements, separated by a thin insulating layer, for tunneling magnetic memory cells. We have found that for a pair of 125nm x 65nm nanoelements, separated by 1.1nm, and low temperature interface field strength of 5.88kOe, the low temperature state (T = 100K) consists of a pair of nearly parallel buckle-states. This low temperature phase is kept with minor changes up to T= 249 K when the magnetization is reduced to 50% of the low temperature value due to nucleation of a vortex centered around the middle of the free surface nanoelement. By further increasing the temperature, there is another small change in the magnetization due to vortex motion. Apart from minor changes in the vortex position, the high temperature vortex state remains stable, in the cooling branch, down to low temperatures. We note that wide loop thermal hysteresis may pose limits on the design of tunneling magnetic memory cells

Histerese térmica de sistemas magnéticos nanoestruturados

We report a theoretical investigation of thermal hysteresis in magnetic nanoelements. Thermal hysteresis originates in the existence of meta-stable states in temperature intervals which may be tuned by small values of the external magnetic field, and are controlled by the systems geometric dimensions as well as the composition. Two systems have been investigated. The first system is a trilayer consisting of one antiferromagnetic MnF2 film, exchange coupled with two Fe lms. At low temperatures the ferromagnetic layers are oriented in opposite directions. By heating in the presence of an external magnetic field, the Zeeman energy induces a gradual orientation of the ferromagnets with the external field and the nucleation of spin- op-like states in the antiferromagnetic layer, leading eventually, in temperatures close to the Neel temperature, to full alignment of the ferromagnetic films and the formation of frustrated exchange bonds in the center of the antiferromagnetic layer. By cooling down to low temperatures, the system follows a different sequence of states, due to the anisotropy barriers of both materials. The width of the thermal hysteresis loop depends on the thicknesses of the FM and AFM layers as well as on the strength of the external field. The second system consists in Fe and Permalloy ferromagnetic nanoelements exchange coupled to a NiO uncompensated substrate. In this case the thermal hysteresis originates in the modifications of the intrinsic magnetic