Desenvolvimento e caracterização de díodos orgânicos emissores de luz

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores

Electronic structure and optical signatures of semiconducting transition metal dichalcogenide nanosheets

CONSPECTUS: Two-dimensional (2D) crystals derived from transition metal dichalcogenides (TMDs) are intriguing materials that offer a unique platform to study fundamental physical phenomena as well as to explore development of novel devices. Semiconducting group 6 TMDs such as MoS2 and WSe2 are known for their large optical absorption coefficient and their potential for high efficiency photovoltaics and photodetectors. Monolayer sheets of these compounds are flexible, stretchable, and soft semiconductors with a direct band gap in contrast to their well-known bulk crystals that are rigid and hard indirect gap semiconductors. Recent intense research has been motivated by the distinct electrical, optical, and mechanical properties of these TMD crystals in the ultimate thickness regime. As a semiconductor with a band gap in the visible to near-IR frequencies, these 2D MX2 materials (M = Mo, W; X = S, Se) exhibit distinct excitonic absorption and emission features. In this Account, we discuss how optical spectroscopy of these materials allows investigation of their electronic properties and the relaxation dynamics of excitons. We first discuss the basic electronic structure of 2D TMDs highlighting the key features of the dispersion relation. With the help of theoretical calculations, we further discuss how photoluminescence energy of direct and indirect excitons provide a guide to understanding the evolution of the electronic structure as a function of the number of layers. We also highlight the behavior of the two competing conduction valleys and their role in the optical processes. Intercalation of group 6 TMDs by alkali metals results in the structural phase transformation with corresponding semiconductor-to-metal transition. Monolayer TMDs obtained by intercalation-assisted exfoliation retains the metastable metallic phase. Mild annealing, however, destabilizes the metastable phase and gradually restores the original semiconducting phase. Interestingly, the semiconducting 2H phase, metallic 1T phase, and a charge-density-wave-like 1T' phase can coexist within a single crystalline monolayer sheet. We further discuss the electronic properties of the restacked films of chemically exfoliated MoS2. Finally, we focus on the strong optical absorption and related exciton relaxation in monolayer and bilayer MX2. Monolayer MX2 absorbs as much as 30% of incident photons in the blue region of the visible light despite being atomically thin. This giant absorption is attributed to nesting of the conduction and valence bands, which leads to diversion of optical conductivity. We describe how the relaxation pathway of excitons depends strongly on the excitation energy. Excitation at the band nesting region is of unique significance because it leads to relaxation of electrons and holes with opposite momentum and spontaneous formation of indirect excitons.

Manuel Cardona i Castro

Biografia del físic Manuel Cardona i Castro, autoritat mundial en l’estudi dels semiconductors i dels superconductors i gran promotor de la física a l’Amèrica Llatina.

Caracterització d'oscil·ladors basats en CMOS-M/NEMS i la seva aplicació com a sensors de massa

El present projecte tracta sobre la caracterització d'oscil·ladors basats en ressonadors micro/nanoelectromecànics (M/NEMS) i la seva aplicació com a sensors de massa. Els oscil·ladors utilitzats es basen en un pont i una palanca ressoants M/NEMS, integrats en tecnologia CMOS. En primer lloc s'ha fet una introducció teòrica als conceptes utilitzats per a entendre el funcionament i la caracterització dels dispositius. A continuació s'han realitzat proves per tal de caracteritzar els paràmetres importants per a l'ús dels oscil·ladors com a sensors de massa, com la seva estabilitat en freqüència. Per acabar s'han aplicat aquests sensors en la caracterització i modelització del flux de massa a través d'obertures de dimensions micromètriques.

Dipòsit i caracterització de capes primes orgàniques de P3HT:PCBM per a aplicacions fotovoltaiques

En un món on el ritme de la societat actual ens ha portat a considerar les energies enovables com a prioritat vital i necessària i en el que es preveu que la demanda energètica augmenti un 50% fins al 2030, l'interès en la recerca de materials emiconductors orgànics per aplicacions de captura solar, ha assolit un potencial enorme de cara al futur. Molts són el avantatges que presenten aquest tipus de materials en front als seus homòlegs inorgànics. La facilitat de fabricació, la utilització de materials més econòmics i amb menys impacte ambiental, així com la possibilitat de produir dispositius flexibles, són algunes de les atractives aracterístiques que presenten aquests materials. No obstant, certs inconvenients om les baixes eficiències energètiques dels dispositius, i la inestabilitat ambiental ue es tradueix en un temps de vida molt reduït, fan que encara s'hagi d'invertir sforç per aconseguir que aquests materials puguin ser utilitzats en el camp de la aptura d'energia solar. El material més prometedor fins a data d'avui és el P3HT:PCBM. Es tracta d'un sistema polímer:molècula lleugera, on el P3HT actua com a component donador del sistema i el PCBM actua com a component acceptor. Les propietats optoelectròniques i eficiències energètiques de combinats orgànics P3HT:PCBM epèn en gran mesura de la seva morfologia i microestructura. Paràmetres com la proporció entre els components, el dissolvent utilitzat en la dissolució, així com 'aplicació de determinats tractaments tèrmics afecten de forma crítica a la seva orfologia. Durant el present treball s'han utilitzat diverses tècniques de caracterització per a estudiar determinades propietats que presenten aquest tipus de aterials. Entre les tècniques experimentals utilitzades hi trobem la microscòpia FM, l'espectroscòpia Raman i la conductimetria AFM o current sensing AFM CS-AFM). Els experiments en temps real durant l'escalfament de capes primes 3HT:PCBM, mostren que el P3HT pateix una cristal·lització al voltant dels 140ºC, permetent el reordenament de les molècules i un millor solapament del sorbitals [pi]-[pi]*, que resulta en un increment del transport de forats a través de la fase donadora del material. Paralel·lament, entre els 80-120ºC, el material també presenta determinats canvis tant en el comportament dels enllaços, com en la cristal·linitat del material, provocant una quasi transició de fase que atribuïm a la transició vitrea del material. Per altra banda, experiments amb conductimetria AFM realitzats en sistemes P3HT:HDPE mostren un signicatiu augment en la eva estabilitat ambiental, que es tradueix en un augment del temps de vida, sense una pèrdua considerable en els seus valors de conducció. Tot i la combinació del P3HT amb proporcions de polímers aïllants de fins al 80%, el sistema és capaç de no perdre la capacitat de transport gràcies a la formació de fases i dominis rics en P3HT. El present treball posa de manifest que ens trobem davant d'una tecnologia emergent i que nous estudis i esforços en la recerca d'aquest tipus materials és fonamental per aconseguir nous resultats i posicionar als materials semiconductors orgànics com una alternativa viable en el camp dels dispositus fotovoltaics. Assumint dades procedents de la tecnologia actual utilitzada en aquest tipus de materials, estudis i avaluacions ambientals i econòmiques mostren que petits increments tant en les eficiències com en el temps de vida de dispositius basats en aterials orgànics, posicionarien a aquest material com a alternativa totalment viable en el mercat fotovoltaic d'un futur proper.

Dinàmica de sistemes mesoscòpics amb correlacions quàntiques mitjançant la formulació de de Broglie-Bohm

Per a determinar la dinàmica espai-temporal completa d’un sistema quàntic tridimensional de N partícules cal integrar l’equació d’Schrödinger en 3N dimensions. La capacitat dels ordinadors actuals permet fer-ho com a molt en 3 dimensions. Amb l’objectiu de disminuir el temps de càlcul necessari per a integrar l’equació d’Schrödinger multidimensional, es realitzen usualment una sèrie d’aproximacions, com l’aproximació de Born–Oppenheimer o la de camp mig. En general, el preu que es paga en realitzar aquestes aproximacions és la pèrdua de les correlacions quàntiques (o entrellaçament). Per tant, és necessari desenvolupar mètodes numèrics que permetin integrar i estudiar la dinàmica de sistemes mesoscòpics (sistemes d’entre tres i unes deu partícules) i en els que es tinguin en compte, encara que sigui de forma aproximada, les correlacions quàntiques entre partícules. Recentment, en el context de la propagació d’electrons per efecte túnel en materials semiconductors, X. Oriols ha desenvolupat un nou mètode [Phys. Rev. Lett. 98, 066803 (2007)] per al tractament de les correlacions quàntiques en sistemes mesoscòpics. Aquesta nova proposta es fonamenta en la formulació de la mecànica quàntica de de Broglie– Bohm. Així, volem fer notar que l’enfoc del problema que realitza X. Oriols i que pretenem aquí seguir no es realitza a fi de comptar amb una eina interpretativa, sinó per a obtenir una eina de càlcul numèric amb la que integrar de manera més eficient l’equació d’Schrödinger corresponent a sistemes quàntics de poques partícules. En el marc del present projecte de tesi doctoral es pretén estendre els algorismes desenvolupats per X. Oriols a sistemes quàntics constituïts tant per fermions com per bosons, i aplicar aquests algorismes a diferents sistemes quàntics mesoscòpics on les correlacions quàntiques juguen un paper important. De forma específica, els problemes a estudiar són els següents: (i) Fotoionització de l’àtom d’heli i de l’àtom de liti mitjançant un làser intens. (ii) Estudi de la relació entre la formulació de X. Oriols amb la aproximació de Born–Oppenheimer. (iii) Estudi de les correlacions quàntiques en sistemes bi- i tripartits en l’espai de configuració de les partícules mitjançant la formulació de de Broglie–Bohm.

Control de instrumentos mediante el bus GPIB programado con MATLAB

El proyecto que se expone a continuación está dedicado al control de instrumentos mediante el bus de instrumentación GPIB programado con el software Matlab. Está dividido en dos partes. La primera, será llevada a cabo en el laboratorio de docencia y el objetivo será controlar el osciloscopio y el generador de funciones. Como ejemplo del control realizado se desarrollará una aplicación que permitirá obtener el diagrama de Bode de módulo de cualquier sistema electrónico. La segunda parte será llevada a cabo en el laboratorio de investigación y el objetivo será controlar el analizador de semiconductores. En este caso, la aplicación desarrollada permitirá la realización de medidas para la caracterización de transistores. Las aplicaciones de ambas partes estarán realizadas mediante una interfaz gráfica de usuario diseñada con la herramienta GUIDE de Matlab.

The joint R&D project: The case of the first Brazilian microcontroller chip

ABSTRACT The interorganizational cooperation, through joint efforts with various actors, allows the high-tech companies to complement resources, especially in R&D projects. Collaborative projects have been identified in many studies as an important strategy to produce complex products and services in uncertain and competitive environments. Thus, this research aims at deepening the understanding of how the development dynamics of a collaborative R&D project in an industry of high technology occur. In order to achieve the proposed objective, the R&D project of the first microcontroller in the Brazilian semiconductor industry was defined as the object of analysis. The empirical choice is justified by the uniqueness of the case, besides bringing a diversity of actors and a level of complementarity of resources that were significant to the success of the project. Given the motivation to know who the actors were and what the main forms of interorganizational coordination were used in this project, interviews were carried out and a questionnaire was also made, besides other documents related to the project. The results presented show a network of nine actors and their roles in the interorganizational collaboration process, as well as the forms of social and temporal overlapping, used in the coordination of collective efforts. Focusing on the mechanisms of temporal and social integration highlighted throughout the study, the inclusion of R&D projects in the typology for interorganizational projects is proposed in this paper, which was also proposed by Jones and Lichtenstein (2008).

Characterization and simulation of a CdTe detector for use in PET

The Voxel Imaging PET (VIP) Path nder project got the 4 year European Research Council FP7 grant in 2010 to prove the feasibility of using CdTe detectors in a novel conceptual design of PET scanner. The work presented in this thesis is a part of the VIP project and consists of, on the one hand, the characterization of a CdTe detector in terms of energy resolution and coincidence time resolution and, on the other hand, the simulation of the setup with the single detector in order to extend the results to the full PET scanner. An energy resolution of 0.98% at 511 keV with a bias voltage of 1000 V/mm has been measured at low temperature T=-8 ºC. The coincidence time distribution of two twin detectors has been found to be as low as 6 ns FWHM for events with energies above 500 keV under the same temperature and bias conditions. The measured energy and time resolution values are compatible with similar ndings available in the literature and prove the excellent potential of CdTe for PET applications. This results have been presented in form of a poster contribution at the IEEE NSS/MIC & RTSD 2011 conference in October 2011 in Valencia and at the iWoRID 2012 conference in July 2012 in Coimbra, Portugal. They have been also submitted for publication to "Journal of Instrumentation (JINST)" in September 2012.

Determination of the direct band-gap energy of InAlAs matched to InP by photoluminescence excitation spectroscopy

A series of InxAl1-xAs samples (0.51≪x≪0.55)coherently grown on InP was studied in order to measure the band-gap energy of the lattice matched composition. As the substrate is opaque to the relevant photon energies, a method is developed to calculate the optical absorption coefficient from the photoluminescence excitation spectra. The effect of strain on the band-gap energy has been taken into account. For x=0.532, at 14 K we have obtained Eg0=1549±6 meV

Oxidation of silicon: further tests for the interfacial silicon emission model

The classical description of Si oxidation given by Deal and Grove has well-known limitations for thin oxides (below 200 Ã). Among the large number of alternative models published so far, the interfacial emission model has shown the greatest ability to fit the experimental oxidation curves. It relies on the assumption that during oxidation Si interstitials are emitted to the oxide to release strain and that the accumulation of these interstitials near the interface reduces the reaction rate there. The resulting set of differential equations makes it possible to model diverse oxidation experiments. In this paper, we have compared its predictions with two sets of experiments: (1) the pressure dependence for subatmospheric oxygen pressure and (2) the enhancement of the oxidation rate after annealing in inert atmosphere. The result is not satisfactory and raises serious doubts about the model’s correctness

Acoustic transport of charge and spins in GaAs-based heterostructures

Report for the scientific sojourn carried out at the Paul Drude Institut für Festkörperelektronik of the Stanford University, USA, from 2010 to 2012. The objective of this project is the transport and control of electronic charge and spin along GaAs-based semiconductor heterostructures. The electronic transport has been achieved by taking advantage of the piezolectric field induced by surface acoustic waves in non-centrosymmetric materials like GaAs. This piezolectric field separates photogenerated electrons and holes at different positions along the acoustic wave, where they acummulate and are transported at the same velocity as the wave. Two different kinds of structures have been studied: quantum wells grown along the (110) direction, both intrinsic and n-doped, as well as GaAs nanowires. The analysis of the charge acoustic transport was performed by micro-photoluminescence, whereas the detection of the spin transport was done either by analyzing the polarization state of the emitted photoluminescence or by Kerr reflectometry. Our results in GaAs quantum wells show that charge and spin transport is clearly observed at the non-doped structures,obtaining spin lifetimes of the order of several nanoseconds, whereas no acoutically induced spin transport was detected for the n-doped quantum wells. In the GaAs nanowires, we were able of transporting successfully both electrons and holes along the nanowire axis, but no conservation of the spin polarization has been observed until now. The photoluminescence emitted by these structures after acoustic transport, however, shows anti-bunching characteristics, making this system a very good candidate for its use as single photon emitters.

Ab initio study of NOx compounds adsorption on SnO2 surface

An ab initio study of the adsorption processes on NOx compounds on (1 1 0) SnO2 surface is presented with the aim of providing theoretical hints for the development of improved NOx gas sensors. From first principles calculations (DFT¿GGA approximation), the most relevant NO and NO2 adsorption processes are analyzed by means of the estimation of their adsorption energies. The resulting values and the developed model are also corroborated with experimental desorption temperatures for NO and NO2, allowing us to explain the temperature-programmed desorption experiments. The interference of the SO2 poisoning agent on the studied processes is discussed and the adsorption site blocking consequences on sensing response are analyzed.