Theoretical investigation of the electronic structure and absorption spectra of carbon cluster nanotubes

Electronic and optical properties of recently discovered single-shell carbon cluster nanotubes are studied through a semiempirical INDOCI method. The calculations are performed within the cluster model and include up to 196 atoms. The trend of the forbidden band gap with the number of carbon atoms (Cn n = 60, 10, 140) for a fixed diameter is analyzed. With increasing n the band gap decreases, as expected. The tubule, with diameter of 7.2Å (as C60-Buckyball) is predicted to be a metal or a narrow-gap semiconductor. The calculated absorption spectra of the clusters show a characteristic strong peak around 40,000 cm-1. Other features of the calculated UV-visible absorption spectra are discussed. © 1994.

Effect of scandium on the structural and photocatalytic properties of titanium dioxide thin films

Pure and scandium doped-TiO2 thin films were prepared by the sol-gel process and coated by dip coating. The effects of scandium on the phase formation, optical properties and photoactivity of the TiO2 thin films were investigated. The lattice parameters and the crystallinity of the anatase phase, characterized by the Rietveld method, demonstrated that scandium doping affected the structural parameters and crystallinity of the films, modifying the absorption edge. A direct correlation was found between band gap energy and photodegradation efficiency, with lower values of band gap energy augmenting this efficiency. Moreover, a significant improvement in the catalyst's photodegradation efficiency was attained with a scandium concentration of 5.0 mol%. © 2007 Springer Science+Business Media, LLC.

Thermal tunability of photonic bandgaps in photonic crystal fibers selectively filled with nematic liquid crystal

We address the bandgap effect and the thermo-optical response of high-index liquid crystal (LC) infiltrated in photonic crystal fibers (PCF) and in hybrid photonic crystal fibers (HPCF). The PCF and HPCF consist of solid-core microstructured optical fibers with hexagonal lattice of air-holes or holes filled with LC. The HPCF is built from the PCF design by changing its cladding microstructure only in a horizontal central line by including large holes filled with high-index material. The HPCF supports propagating optical modes by two physical effects: the modified total internal reflection (mTIR) and the photonic bandgap (PBG). Nevertheless conventional PCF propagates light by the mTIR effect if holes are filled with low refractive index material or by the bandgap effect if the microstructure of holes is filled with high refractive-index material. The presence of a line of holes with high-index LC determines that low-loss optical propagation only occurs on the bandgap condition. The considered nematic liquid crystal E7 is an anisotropic uniaxial media with large thermo-optic coefficient; consequently temperature changes cause remarkable shifts in the transmission spectrums allowing thermal tunability of the bandgaps. Photonic bandgap guidance and thermally induced changes in the transmission spectrum were numerically investigated by using a computational program based on the beam propagation method. © 2010 SPIE.

Broadband NIR emission in novel sol-gel Er3+-doped SiO 2-Nb2O5 glass ceramic planar waveguides for photonic applications

This paper reports on the sol-gel preparation and structural and optical characterization of new Er3+-doped SiO2-Nb 2O5 nanocomposite planar waveguides. Erbium-doped (100-x)SiO2-xNb2O5 waveguides were deposited on silica-on-silicon substrates and Si(1 0 0) by the dip-coating technique. The waveguides exhibited uniform refractive index distribution across the thickness, efficient light injection at 1538 nm, and low losses at 632 and 1538 nm. The band-gap values lied between 4.12 eV and 3.55 eV for W1-W5, respectively, showing an excellent transparency in the visible and near infrared region for the waveguides. Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy analysis evidenced SiO2-Nb2O5 nanocomposite formation with controlled phase separation in the films. The HRTEM and XRD analyses revealed Nb2O5 orthorhombic T-phase nanocrystals dispersed in a silica-based host. Photoluminescence (PL) analysis showed a broad band emission at 1531 nm, assigned to the 4I13/2 → 4I15/2 transition of the Er3+ ions present in the nanocomposite, with a full-width at half medium of 48-68 nm, depending on the niobium content and annealing. Hence, these waveguides are excellent candidates for application in integrated optics, especially in EDWA and WDM devices. © 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Local electronic structure, optical bandgap and photoluminescence (PL) properties of Ba(Zr0.75Ti0.25)O3 powders

Ba(Zr0.75Ti0.25)O3 (BZT-75/25) powders were synthesized by the polymeric precursor method. Samples were structurally characterized by X-ray diffraction (XRD), Rietveld refinement, X-ray absorption near-edge structure (XANES) and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) techniques. Their electronic structures were evaluated by first-principle quantum mechanical calculations based on density functional theory at the B3LYP level. Their optical properties were investigated by ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy and photoluminescence (PL) measurements at room temperature. XRD patterns and Rietveld refinement data indicate that the samples have a cubic structure. XANES spectra confirm the presence of pyramidal [TiO5] clusters and octahedral [TiO6] clusters in the disordered BZT-75/25 powders. EXAFS spectra indicate distortion of Ti-O and Ti-O-Ti bonds the first and second coordination shells, respectively. UV-Vis absorption spectra confirm the presence of different optical bandgap values and the band structure indicates an indirect bandgap for this material. The density of states demonstrates that intermediate energy levels occur between the valence band (VB) and the conduction band (CB). These electronic levels are due to the predominance of 4d orbitals of Zr atoms in relation to 3d orbitals of Ti atoms in the CB, while the VB is dominated by 2p orbitals related to O atoms. There was good correlation between the experimental and theoretical optical bandgap values. When excited at 482 nm at room temperature, BZT-75/25 powder treated at 500 C for 2 h exhibited broad and intense PL emission with a maximum at 578 nm in the yellow region. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Red shift and higher photoluminescence emission of CCTO thin films undergoing pressure treatment

CCTO thin films were deposited on Pt(1 1 1)/Ti/SiO2/Si substrates using a chemical (polymeric precursor) and pressure method. Pressure effects on CCTO thin films were evaluated by X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and optical properties which revealed that a pressure film (PF) is denser and more homogeneous than a chemical film (CF). Pressure also causes a decrease in the band gap and an increase in the photoluminescence (PL) emission of CCTO films which suggests that the pressure facilitates the displacement of Ti in the titanate clusters and the charge transference from TiO6 to [TiO5V0z], [TiO5V0z] to [CaO11V0z] and [TiO5V0z] to [CuO4]x. © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Caracterização de filmes finos de ZnO dopados com Al e Mn depositados em substrato vítreo pelo método de Spray Pirólise

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Preparação e caracterização de filmes finos Sr1-xMexTiO3(Me=Fe, Ni)

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Filmes finos de ZnO como óxidos condutores transparentes aplicados à células solares

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Propriedade fotoluminescente dos materiais 'CA''TI''O IND.3' e 'CA IND.1-x''EU IND.x''TI''O IND.3'

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Propriedades ferroelétricas, microestruturais e ópticas dos materiais cerâmicos Ba0,5 Sr0,5 (Ti1-ySny) O3

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Análise teórica de novos circuladores de 3-portas em cristais fotônicos bidimensionais

Este trabalho apresenta um estudo teórico sobre novos circuladores compactos com 3-portas tipos W e Y, baseados em cristais fotônicos bidimensionais. No circulador tipo Y, os guias de onda que o compõem formam ângulos de 120° entre si (com formato assemelhado ao da letra Y). O circulador tipo W é uma modificação do tipo Y, obtido a partir do reposicionamento de uma das portas entre as outras duas com um ângulo de 60° entre os guias de onda (com formato assemelhado ao da letra W). Os parâmetros geométricos dos cristais foram obtidos dos diagramas de bandas proibidas. O circulador de três portas tipo Y, projetado para operar em frequências de micro-ondas, foi investigado com o objetivo de gerar um protótipo inédito, enquanto que o tipo W, para frequências ópticas, foi investigado para demonstrar a possibilidade de desenvolver um circulador mais compacto em comparação com o tipo Y conhecido. O tipo W pode ser também uma alternativa geométrica mais adequada no design de circuitos integrados. Os modelos são bons no sentido em que possuem elevada isolação (maior que -20 dB em ambos os circuladores) e baixa perda de inserção (maior que -0,5 dB no caso do circulador tipo Y). O circulador tipo W apresenta uma largura de banda de operação em torno de 100 GHz para um nível de -20 dB de isolação, centrado no comprimento de onda de 1,5um. As simulações foram feitas utilizando-se o software comercial COMSOL Multiphysics, o qual se baseia no método dos elementos finitos.

Investigação da dinâmica sequêncial Monte Carlo/Mecânica Quântica para sitemas moleculares orgânicos

O principal objetivo deste trabalho é investigar teóricamente as propriedades eletrônicas e óticas de compostos orgânicos em ambiente líquido. A compreensão das interações em sistemas líquidos é muito importante para a descrição de fenômenos em muitas partes da ciência, como Física, Química, Biologia e Materiais, bem como no desenvolvimento de materiais óticos. As flutuações térmicas fazem que inumaram das configurações para os líquidos possam ser gerados. Esta é a razão do comportamento estatístico observado em sistemas líquidos. Considerando estas dificuldades, o tratamento sequencial Monte Carlo / Mecânica Quântica (SMC/QM) é usado neste trabalho. Neste procedimento, a estrutura líquida é gerada primeiramente por simulações clássicas de MC e mais tarde, somente a parte mais importante do sistema é tratada com mecânica quântica. Usando o procedimento acima, os propriedades do quantum o pirazine dimethyl do thiene Methyl da laranja (MO) e do O 2,3-dimetil tieno[3,4-b] pirazina (DTP) foram investigados. O MO é um conhecido indicador de pH e pode ser encontrado sob circunstâncias básicas e acidas. Suas geometrias de mínima energia foram obtidas mediante a Teoria do Funcional da Densidade pelo funcional B3LYP, sendo o sistema descrito pelas bases de Pople com uma função de polarização (6-31G*). Para obter as propriedades médias dos observaveis, cálculos de química quântica foram executados dentro da aproximação semi-empírica de INDO/S-CI. Com respeito ao espectro de absorção, os dados experimentais existentes na literatura científica reportam a existência de uma larga banda localizada na região de baixas energias, mais precisamente entre 400 e 600 nm. Nossos resultados teóricos para a forma alcalina mostram uma transição intensa transição π → π* aproximadamente à 432.4 ± 0.03 nm e, sob condições ácidas, esta transição aparece aproximadamente à 507.4 ± 0.12, 496.4 ± 0.28 ou 545.3 ± 0.10 nm, dependendo da estrutura, mostrando bom acordo com resultados experimentais. O DTP é um sistema particular usado na produção de polímeros de baixo gap. Suas propriedades elétricas e óticas foram obtidas através de um novo procedimento conhecido por Configuração Eletrostática Média do Solvent (ASEC). O procedimento ASEC inclui moléculas do solvente como cargas pontuais e permite o obtenção das quantidades quânticas executando somente poucos cálculos de mecânica quântica. Para o DTP, usando a teoria das perturbações de segunda ordem Mφller-Plesset (MP2) e o conjunto de bases aug-cc-pVDZ, a convergência do momento de dipolo foi alcançada com apenas quatro cálculos de mecânica quântica à 1.16 D, apresentando um aumento de 42% quando comparado ao dipolo isolado. O polarizabilidade corresponde à outra característica elétrica que pôde ser medida. Considerando o mesmo nível empregado ao cálculo do dipolo, o valor médio 132.7 a30 foi observado. A região de mais baixas da energias do espectro de absorption foi investigada também atravé de procedimento de ASEC usando ambos as aproximações, semi-empírico e DFT. Esta região de absorção é motivo de conclusões contraditórias com relação à natureza das transições n → π* e π → π*. Nossos resultados mostram que realmente que essas excitações são realmente observadas simultanemente podendo sobrepôr-se. Como exemplo, nossos resultados para DFT, encontrados usando o funcional B3LYP nos mostra que estas transições aparecem aproximadamente à 360.6 e 351.1 nm.

Desenvolvimento e otimização de materiais nanocristalinos para células solares sensibilizadas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

First principles investigations on the electronic structure of anchor groups on ZnO nanowires and surfaces

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)