Fotodiodos basados en (Zn,Mg)O para la detección de luz ultravioleta

La presente tesis fue ideada con el objetivo principal de fabricar y caracterizar fotodiodos Schottky en capas de ZnMgO y en estructuras de pozo cuántico ZnMgO/ZnO para la detección de luz UV. La elección de este material semiconductor vino motivada por la posibilidad que ofrece de detectar y procesar señales simultáneamente, en un amplio margen de longitudes de onda, al igual que su más directo competidor el GaN. En esta memoria se da en primer lugar una visión general de las propiedades estructurales y ópticas del ZnO, prestando especial atención a su ternario ZnMgO y a las estructuras de pozo cuántico ZnMgO/ZnO. Además, se han desarrollado los conocimientos teóricos necesarios para una mejor compresión y discusión de los resultados alcanzados. En lo que respecta a los resultados de esta memoria, en esencia, estos se dividen en dos bloques. Fotodiodos desarrollados sobre capas delgadas de ZnMgO no-polar, y sobre estructuras de pozo cuántico de ZnMgO/ZnO no-polares y semipolares Fotodiodos de capas delgadas de ZnMgO. Es bien conocido que la adición de Mg a la estructura cristalina del ZnO desplaza el borde de absorción hacia energías mayores en el UV. Se ha aprovechado esto para fabricar fotodiodos Schottky sobre capas de ZnMgO crecidas por MOCVD y MBE, los cuales detecten en un ventana de energías comprendida entre 3.3 a 4.6 eV. Sobre las capas de ZnMgO, con diferentes contenidos de Mg(5.6-18.0 %), crecidas por MOCVD se han fabricado fotodiodos Schottky. Se han estudiado en detalle las curvas corrientevoltaje (I-V). Seguidamente, se ha realizado un análisis de la respuesta espectral bajo polarización inversa. Tanto los valores de responsividad obtenidos como el contraste UV/VIS están claramente aumentados por la presencia de ganancia. Paralelamente, se han realizado medidas de espectroscopia de niveles profundos (DLOS), identificándose la presencia de dos niveles profundos de carácter aceptor. El papel desempeñado por estos en la ganancia ha sido analizado meticulosamente. Se ha demostrado que cuando estos son fotoionizados son responsables directos del gran aumento de la corriente túnel que se produce a través de la barrera Schottky, dando lugar a la presencia de la ganancia observada, que además resulta ser función del flujo de fotones incidente. Para extender el rango detección hasta 4.6 eV se fabricaron fotodiodos sobre capas de ZnMgO de altísima calidad cristalina crecidas por MBE. Sobre estos se ha realizado un riguroso análisis de las curvas I-V y de las curvas capacidad-voltaje (CV), para posteriormente identificar los niveles profundos presentes en el material, mediante la técnica de DLOS. Así mismo se ha medido la respuesta espectral de los fotodetectores, la cual muestra un corte abrupto y un altísimo contraste UV/VIS. Además, se ha demostrado como estos son perfectos candidatos para la detección de luz en la región ciega al Sol. Por otra parte, se han fabricado fotodiodos MSM sobre estas mismas capas. Se han estudiado las principales figuras de mérito de estos, observándose unas corrientes bajas de oscuridad, un contraste UV/VIS de 103, y la presencia de fotocorriente persistente. Fotodiodos Schottky de pozos cuánticos de ZnO/ZnMgO. En el segundo bloque de esta memoria, con el objeto final de clarificar el impacto que tiene el tratamiento del H2O2 sobre las características optoelectrónicas de los dispositivos, se ha realizado un estudio detallado, en el que se han analizado por separado fotodiodos tratados y no tratados con H2O2, fabricados sobre pozos cuánticos de ZnMgO/ZnO. Se ha estudiado la respuesta espectral en ambos casos, observándose la presencia de ganancia en los dos. A través de un análisis meticuloso de las características electrónicas y optoeletrónicas de los fotodiodos, se han identificado dos mecanismos de ganancia internos diferentes en función de que la muestra sea tratada o no-tratada. Se han estudiado fotodetectores sensibles a la polarización de la luz (PSPDs) usando estructuras de pozo cuántico no-polares y semipolares sobre sustratos de zafiro y sustratos de ZnO. En lo que respecta a los PSPDs sobre zafiro, en los cuales el pozo presenta una tensión acumulada en el plano, se ha visto que el borde de absorción se desplaza _E _21 meV con respecto a luz linealmente polarizada perpendicular y paralela al eje-c, midiéndose un contraste (RE || c /RE c)max _ 6. Con respecto a los PSPDs crecidos sobre ZnO, los cuales tienen el pozo relajado, se ha obtenido un 4E _30-40, y 21 meV para las heteroestructuras no-polar y semipolar, respectivamente. Además el máximo contraste de responsividad fue de (RE || c /RE c)max _ 6 . Esta sensibilidad a la polarización de la luz ha sido explicada en términos de las transiciones excitónicas entre la banda de conducción y las tres bandas de valencia. ABSTRACT The main goal of the present thesis is the fabrication and characterization of Schottky photodiodes based on ZnMgO layers and ZnMgO / ZnO quantum wells (QWs) for the UV detection. The decision of choosing this semiconductor was mainly motivated by the possibility it offers of detecting and processing signals simultaneously in a wide range of wavelengths like its main competitor GaN. A general overview about the structural and optical properties of ZnO, ZnMgO layers and ZnMgO/ZnO QWs is given in the first part of this thesis. Besides, it is shown the necessary theoretical knowledge for a better understanding of the discussion presented here. The results of this thesis may be divided in two parts. On the one hand, the first part is based on studying non-polar ZnMgO photodiodes. On the other hand, the second part is focused on the characterization of non-polar and semipolar ZnMgO / ZnO QWs Schottky photodiodes. ZnMgO photodiodes. It is well known that the addition of Mg in the crystal structure of ZnO results in a strong blue-shift of the ZnO band-gap. Taking into account this fact Schottky photodiodes were fabricated on ZnMgO layers grown by MOCVD and MBE. Concerning ZnMgO layers grown by MOCVD, a series of Schottky photodiodes were fabricated, by varying the Mg content from 5.6% to 18 %. Firstly, it has been studied in detail the current-voltage curves. Subsequently, spectral response was analyzed at reverse bias voltage. Both the rejection ratio and the responsivity are shown to be largely enhanced by the presence of an internal gain mechanism. Simultaneously, measurements of deep level optical spectroscopy were carried out, identifying the presence of two acceptor-like deep levels. The role played for these in the gain observed was studied in detail. It has been demonstrated that when these are photoionized cause a large increase in the tunnel current through the Schottky barrier, yielding internal gains that are a function of the incident photon flux. In order to extend the detection range up to 4.6 eV, photodiodes ZnMgO grown by MBE were fabricated. An exhaustive analysis of the both I-V and CV characteristics was performed. Once again, deep levels were identified by using the technique DLOS. Furthermore, the spectral response was measured, observing sharp absorption edges and high UV/VIS rejections ratio. The results obtained have confirmed these photodiodes are excellent candidates for the light detection in the solar-blind region. In addition, MSM photodiodes have also been fabricated on the same layers. The main figures of merit have been studied, showing low dark currents, a large UV/VIS rejection ratio and persistent photocurrent. ZnMgO/ZnO QWs photodiodes. The second part was focused on ZnMgO/ ZnO QWs. In order to clarify the impact of the H2O2 treatment on the performance of the Schottky diodes, a comparative study using treated and untreated ZnMgO/ZnO photodiodes has been carried out. The spectral response in both cases has shown the presence of gain, under reverse bias. Finally, by means of the analysis of electronic and optoelectronic characteristics, two different internal gain mechanisms have been indentified in treated and non-treated material. Light polarization-sensitive UV photodetectors (PSPDs) using non-polar and semipolar ZnMgO/ZnO multiple quantum wells grown both on sapphire and ZnO substrates have been demonstrated. For the PSPDs grown on sapphire with anisotropic biaxial in-plain strain, the responsivity absorption edge shifts by _E _21 meV between light polarized perpendicular and parallel to the c-axis, and the maximum responsivity contrast is (RE || c /RE c)max _ 6 . For the PSPDs grown on ZnO, with strain-free quantum wells, 4E _30-40, and 21 meV for non-polar and semipolar heterostructures, and maximum (R /R||)max _10. for non-polar heterostructure was achieved. These light polarization sensitivities have been explained in terms of the excitonic transitions between the conduction and the three valence bands.

Espectroscopia optogalvânica: alguns aspectos relevantes

In this work we present the optogalvanic effect in ionized gases in an historical perspective. This effect was observed for the first time by Foote and Mohler in 1925, and explained by Penning in 1928 for mixtures (Ne-Ar) and pure gases (or vapours) in 1937. Also, we show some aspects of the contributions of Romenian authors for the development of optogalvanic spectroscopy, which was used as a new technique only after 1964.

Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear de 13C no estudo de rotas biossintéticas de produtos naturais

During the last five decades, as a result of an interaction between natural product chemistry, synthetic organic chemistry, molecular biology and spectroscopy, scientists reached an extraordinary level of comprehension about the natural processes by which living organisms build up complex molecules. In this context, 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy, allied with isotopic labeling, played a determinant role. Nowadays, the widespread use of modern NMR techniques allows an even more detailed picture of the biochemical steps by accurate manipulation of the atomic nuclei. This article focuses on the development of such techniques and their impact on biosynthetic studies.

Determinação de açúcar total em café cru por espectroscopia no infravermelho próximo e regressão por mínimos quadrados parciais

In this work a fast method for the determination of the total sugar levels in samples of raw coffee was developed using the near infrared spectroscopy technique and multivariate regression. The sugar levels were initially obtained using gravimety as the reference method. Later on, the regression models were built from the near infrared spectra of the coffee samples. The original spectra were pre-treated according to the Kubelka-Munk transformation and multiplicative signal correction. The proposed analytical method made possible the direct determination of the total sugar levels in the samples with an error lower by 8% with respect to the conventional methodology.

Estudo por espectroscopia micro-Raman dos mecanismos de separação de fase em vidros fosfatos de metais de transição

Glass-ceramics are prepared by controlled separation of crystal phases in glasses, leading to uniform and dense grain structures. On the other hand, chemical leaching of soluble crystal phases yields porous glass-ceramics with important applications. Here, glass/ceramic interfaces of niobo-, vanado- and titano-phosphate glasses were studied by micro-Raman spectroscopy, whose spatial resolution revealed the multiphase structures. Phase-separation mechanisms were also determined by this technique, revealing that interface composition remained unchanged as the crystallization front advanced for niobo- and vanadophosphate glasses (interface-controlled crystallization). For titanophosphate glasses, phase composition changed continuously with time up to the equilibrium composition, indicating a spinodal-type phase separation.

Experimento didático de quimiometria para análise exploratória de óleos vegetais comestíveis por espectroscopia no infravermelho médio e análise de componentes principais: um tutorial, parte I

This manuscript aims to show the basic concepts and practical application of Principal Component Analysis (PCA) as a tutorial, using Matlab or Octave computing environment for beginners, undergraduate and graduate students. As a practical example it is shown the exploratory analysis of edible vegetable oils by mid infrared spectroscopy.

Desenvolvimento de um algoritmo para identificação e correção de spikes em espectroscopia Raman de imagem

Raman imaging spectroscopy is a highly useful analytical tool that provides spatial and spectral information on a sample. However, CCD detectors used in dispersive instruments present the drawback of being sensitive to cosmic rays, giving rise to spikes in Raman spectra. Spikes influence variance structures and must be removed prior to the use of multivariate techniques. A new algorithm for correction of spikes in Raman imaging was developed using an approach based on comparison of nearest neighbor pixels. The algorithm showed characteristics including simplicity, rapidity, selectivity and high quality in spike removal from hyperspectral images.

Construção de um espectrógrafo de projeção e sua utilização em demonstrações de espectroscopia óptica

This article describes a projection spectrograph for use in optical spectroscopy classrooms demonstrations. The apparatus is based on an overhead projector and permits the visualization of several phenomena such as, light dispersion by diffraction gratings, diffraction order, optical fluorescence, continuous and discrete optical emission spectra, and light absorption by liquids and solids. A historical survey about the optical spectroscopy development is also presented.

Electrochemical and photocatalytic reactions of polycyclic aromatic hydrocarbons investigated by raman spectroscopy

This paper presents the study of photochemical behavior of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), potential pollutants in secondary reactions in aerosols, through Raman spectroscopy compared with its electrochemical behavior. The PAHs studied include pyrene, anthracene, phenanthrene and fluorene. These were adsorbed onto TiO2 and irradiated with ultraviolet light (254 nm). Their electrochemical oxidation was studied by in situ Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) and led to the formation of carbonyl-containing products. Oxidized intermediates bearing the C=O group were also formed during photodegradation. The joint analysis of the photodegradation data with those produced by electrochemical means - using spectroscopic techniques for the identification and characterization of the products - revealed the formation of identical products for anthracene, but not for pyrene. A reasonable explanation for this difference in results is that photochemical and electrochemical oxidation reactions proceed via different mechanisms. While photocatalytic degradation over TiO2 is initiated by hydroxyl radicals, electrochemical oxidation is initiated by the direct electron transfer from adsorbed PAH to the electrode, generating PAH cation radicals that undergo subsequent reactions.

Estudo da cristalização de parafinas por espectroscopia de RMN em temperaturas variáveis

A cristalização e formação de depósitos parafínicos é um problema operacional crítico na indústria do petróleo em todo o mundo e provoca grandes perdas econômicas na recuperação do óleo. São muitos os estudos que têm sido realizados para desenvolver modelos termodinâmicos de predição da precipitação de parafinas, sendo que boa parte deles utilizam a ressonância magnética nuclear (RMN) em alto ou baixo campo magnético juntamente com outras técnicas como calorimetria exploratória diferencial (DSC), análise elementar e cromatografia gasosa para caracterizar a fase sólida formada a partir do petróleo. Este trabalho busca um maior entendimento da cristalização de ceras parafínicas por meio de experimentos de espectroscopia de RMN de 1H e 13C conduzidos em temperaturas variáveis, o que pode auxiliar na previsão e remediação dos problemas causados pela sua deposição nas linhas de escoamento da produção. Para isso, o estudo desse fenômeno foi conduzido inicialmente em amostras de parafina comercial e, posteriormente, em uma amostra de petróleo parafínico com variação de temperatura sem extrair a fase sólida, garantindo a não interferência de solventes que podem influenciar no processo de cristalização. A metodologia desenvolvida demonstrou ser útil para determinar a temperatura inicial de aparecimento de cristais (TIAC), sendo obtida uma boa concordância com os resultados de DSC para a parafina comercial e petróleo. O registro de espectros em diferentes temperaturas permitiu também a identificação das variações de intensidade e largura de linha dos sinais associados aos diferentes grupos químicos presentes nos materiais estudados.

Os efeitos da radiação ultravioleta no comportamento de sistemas de impermeabilização de coberturas com base em produtos pastosos

Esta dissertação diz fundamentalmente respeito ao estudo do comportamento de produtos de impermeabilização aplicados na forma líquida ou pastosa quando expostos à radiação ultravioleta durante grandes períodos de tempo. Para tal, efectuaram-se estudos de documentação normativa europeia onde se enquadram estes produtos e preparam-se amostras para serem envelhecidas artificialmente dentro dos parâmetros prescritos por essa mesma documentação. O seu comportamento foi avaliado através de ensaios comparativos entre as amostras de cada produto no estado novo e quando sujeitas a envelhecimento artificial. Posteriormente aos ensaios foram tratados e analisados os seus resultados e tiradas as devidas conclusões bem como foram dadas indicações para trabalhos a desenvolver no futuro neste domínio.

Influência dos sólidos em suspensão sobre a eficiência de desinfecção de águas residuais tratadas por radiação ultravioleta

O volume de águas residuais tratadas tem vindo a aumentar nos últimos anos devido ao cumprimento da legislação em vigor – visando a proteção dos meios recetores das cargas poluentes rejeitas pelos aglomerados urbanos e industriais. A maioria das estações de tratamento de águas residuais é projetada para reduzir a carga poluente de natureza química, não removendo de forma significativa a contaminação por microrganismos patogénicos. Determinados usos dos meios recetores como a produção de água para consumo humano, águas balneares, águas para suporte de vida aquícola, bem como a reutilização dos efluentes das estações de tratamento de águas residuais para rega, entre outros, requerem a redução da carga de patogénicos, levando à inclusão de processos de desinfeção a montante da descarga. Na atualidade, o processo de desinfeção de águas residuais mais vantajoso na generalidade das situações é a radiação ultravioleta, em detrimento dos processos químicos anteriormente utilizados (como a utilização de cloro). Este trabalho pretende documentar o desempenho das instalações de desinfeção por radiação ultravioleta em Portugal, através da avaliação da eficiência de remoção de microrganismos indicadores de contaminação fecal (coliformes fecais) e dos fatores que a podem condicionar, como o teor de sólidos em suspensão, as caraterísticas dos equipamentos utilizados e suas condições de operação e manutenção. Tendo sido identificadas as estações de tratamento de águas residuais com desinfeção por radiação ultravioleta operacional em Portugal, foi possível efetuar a escolha de 9 delas para integrarem os casos de estudo, com base num questionário remetido às respetivas entidades gestoras. A eficiência do processo de desinfeção dos casos de estudo foi inferida através da comparação das concentrações de coliformes fecais no afluente à unidade de desinfeção e no efluente da estação de tratamento de águas residuais, a qual também permitiu efetuar uma análise relativa às diversas aptidões de reutilização da água residual tratada, à luz de diversos documentos legislativos e normativos, nacionais e europeus. Após a análise e processamento dos dados recolhidos dos casos de estudo, concluiu-se que todos eles apresentavam processos de desinfeção eficientes, com redução efetiva de coliformes fecais e que, a reduzida concentração de partículas em suspensão no afluente às unidades de desinfeção concorreu para o seu bom desempenho, evidenciando assim, a importância de o tratamento que precede a desinfeção assegurar a efetiva remoção de sólidos em suspensão até valores médios da ordem dos 14 mg/L.

Autoxidação de ácidos gordos na presença de antioxidantes naturais e sintéticos

Nas últimas décadas, devido ao desenvolvimento económico, e a uma necessidade constante de gerir os recursos energéticos, existe uma necessidade de procurar novas fontes de energia, em particular fontes de energia renováveis. O biodiesel surge assim como uma energia alternativa ao combustível fóssil. Este biocombustível tem ganho uma importância significativa na sociedade moderna. Quimicamente o biodiesel é constituído por ésteres metílicos de ácidos gordos de cadeia longa, derivados de óleos vegetais ou gorduras animais. O principal problema que este enfrenta é a sua susceptibilidade à oxidação, devido ao seu conteúdo de ácidos gordos insaturados, logo existe uma procura constante de soluções que possam solucionar este problema. É necessária a identificação de técnicas e métodos para retardar a seu envelhecimento ao longo do tempo. O objectivo deste trabalho consiste no estudo da estabilidade do biodiesel ao longo do tempo, quando armazenado a diferentes condições de temperatura, superiores às normalmente suportadas pelo biodiesel durante o armazenamento, de modo a acelerar o processo de degradação. As amostras de biodiesel foram sujeitas a duas temperaturas. Uma amostra de biodiesel não estabilizado foi colocada a uma temperatura entre 40 e 50ºC ao longo de 203 dias, e uma outra amostra foi colocada a uma temperatura entre 95º e 105ºC ao longo de 146 dias. Realizaram-se ensaios semanais de modo registar a evolução do envelhecimento do biodiesel. As análises foram efectuadas por espectrofotometria de ultravioleta e visível (UV-VIS) e por espectroscopia de absorção na região do infravermelho (FTIR). No UV-VIS foi possível observar que o aumento de temperatura foi responsável pela aceleração da oxidação do biodiesel que resulta num aumento generalizado da absorvância do biodiesel. Através das análises efectuadas no FTIR verificou-se a formação e aumento da banda dos hidroperóxidos (grupo ROOH) localizada entre 3000 e 3600 cm-1 nos espectros, e igualmente um alargamento na banda dos carbonilos (grupo C=O) entre 1500 e 1900 cm-1. Numa fase posterior testaram-se antioxidantes para retardar o envelhecimento do biodiesel. Os ensaios foram efectuados a uma temperatura entre 95º e 105ºC. Os antioxidantes utilizados foram o galhato de propilo (PG), o galhato de etilo (EG) e o ácido gálhico (AG). Recorreu-se a técnicas como o UV-VIS e o FTIR para o registo dos espectros do biodiesel ao longo do tempo. Através destas técnicas foi possível verificar a influência de antioxidantes na estabilidade oxidativa do biodiesel. O PG foi o antioxidante que melhor desempenho mostrou no retardamento da oxidação do biodiesel e a técnica que melhor permitiu analisar a acção dos antioxidantes foi o UVVIS. Os resultados obtidos por FTIR não se mostraram tão conclusivos. Para caracterizar o envelhecimento do biodiesel não estabilizado e estabilizado utilizou-se também a cromatografia gasosa (CG) para quantificar a percentagem de ésteres metílicos presentes nas diferentes amostras no inicio e no fim do processo de oxidação. O biodiesel envelheceu mais rapidamente para temperaturas mais elevadas e comprovou-se que o antioxidante que melhor estabiliza o biodiesel é o PG.

Caracterização de forragens da ilha Terceira através de espectroscopia NIR

Dissertação de Mestrado, Engenharia Zootécnica, 10 de Setembro de 2015, Universidade dos Açores.

Aplicação de compósitos de TiO2 em carvão activado na fotodegradação do fenol com luz ultravioleta

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica