Si(100) versus Ge(100): Watching the interface formation for the growth of III-V-based solar cells on abundant substrates

We investigated the atomic surface properties of differently prepared silicon and germanium (100) surfaces during metal-organic vapour phase epitaxy/chemical vapour deposition (MOVPE/MOCVD), in particular the impact of the MOVPE ambient, and applied reflectance anisotropy/difference spectroscopy (RAS/RDS) in our MOVPE reactor to in-situ watch and control the preparation on the atomic length scale for subsequent III-V-nucleation. The technological interest in the predominant opto-electronic properties of III-V-compounds drives the research for their heteroepitaxial integration on more abundant and cheaper standard substrates such as Si(100) or Ge(100). In these cases, a general task must be accomplished successfully, i.e. the growth of polar materials on non-polar substrates and, beyond that, very specific variations such as the individual interface formation and the atomic step structure, have to be controlled. Above all, the method of choice to grow industrial relevant high-performance device structures is MOVPE, not normally compatible with surface and interface sensitive characterization tools, which are commonly based on ultrahigh vacuum (UHV) ambients. A dedicated sample transfer system from MOVPE environment to UHV enabled us to benchmark the optical in-situ spectra with results from various surfaces science instruments without considering disruptive contaminants. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) provided direct observation of different terminations such as arsenic and phosphorous and verified oxide removal under various specific process parameters. Absorption lines in Fourier-transform infrared (FTIR) spectra were used to identify specific stretch modes of coupled hydrides and the polarization dependence of the anti-symmetric stretch modes distinguished different dimer orientations. Scanning tunnelling microscopy (STM) studied the atomic arrangement of dimers and steps and tip-induced H-desorption proved the saturation of dangling bonds after preparati- n. In-situ RAS was employed to display details transiently such as the presence of H on the surface at lower temperatures (T <; 800°C) and the absence of Si-H bonds at elevated annealing temperature and also surface terminations. Ge buffer growth by the use of GeH4 enables the preparation of smooth surfaces and leads to a more pronounced amplitude of the features in the spectra which indicates improvements of the surface quality.

Impact of N2 plasma power and duration on AlGaN/GaN HEMT

urface treatments have been recently shown to play an active role in electrical characteristics in AlGaN/GaN HEMTs, in particular during the passivation processing [1-4]. However, the responsible mechanisms are partially unknown and further studies are demanding. The effects of power and time N2 plasma pre-treatment prior to SiN deposition using PE-CVD (plasma enhanced chemical vapour deposition) on GaN and AlGaN/GaN HEMT have been investigated. The low power (60 W) plasma pre-treatment was found to improve the electronic characteristics in GaN based HEMT devices, independently of the time duration up to 20 min. In contrast, high power (150 and 210 W) plasma pretreatment showed detrimental effects in the electronic properties (Fig. 1), increasing the sheet resistance of the 2DEG, decreasing the 2DEG charge density in AlGaN/GaN HEMTs, transconductance reduction and decreasing the fT and fmax values up to 40% respect to the case using 60 W N2 plasma power. Although AFM (atomic force microscopy) results showed AlGaN and GaN surface roughness is not strongly affected by the N2-plasma, KFM (Kelvin force microscopy) surface analysis shows significant changes in the surface potential, trending to increase its values as the plasma power is higher. The whole results point at energetic ions inducing polarization-charge changes that affect dramatically to the 2-DEG charge density and the final characteristics of the HEMT devices. Therefore, we conclude that AlGaN surface is strongly sensitive to N2 plasma power conditions, which turn to be a key factor to achieve a good surface preparation prior to SiN passivation.

Nanotechnology for high frequency communications: nitrides and graphene

The achievement of higher frequencies (HF) and the reduction of energy consumption, to improve sensing, communication and computation, involve the continued scaling down to the nanometer level. This scaling is enabled by of innovative device designs, improved processing technologies and assessment tools, and new material structures. In this work, we have used all these factors to demonstrate state-of-the-art HF devices in two materials with quite different electronic properties: wide semiconductor bandgap III-nitrides for resonators and power amplifiers; and graphene, a zero bandgap material expected to revolutionize low noise and HF flexible electronics. Some issues faced during their development will be discussed during the talk.

Electrical model for characterizing CVD graphene

Due to its extremely small thickness (0.35 nm), graphene is an intrinsic 2D nanomaterial. As in many other nanomaterials, its unique properties are derived from its exceptional dimensions. One of these properties is its linear dispersion equation that implies charge carriers with extraordinary high mobility. Therefore, the electronic properties of the material can lead to a big improvement in the performance of known electronic devices, or even result in novel devices for a post-silicon era.

Method for electrical evaluation of graphene using a GFET structure

n this work, we explain a method to characterize graphene using electrical measurements in graphene field-effect transistors (GFET) devices. Our goal is to obtain the material electronic properties from the output characteristics of one GFET device. For the previous purpose, we will need to apply a physical model that allows us to correlate the electronic behavior of a GFET with the material properties.

Optoelectronic property analysis of MCrO4 (M=Ba, Sr) with a response to visible light irradiation

Ternary MCrO4 (M = Ba, Sr) semiconductors are materials with a variety of photocatalyst and optoelectronic applications. We present detailed microscopic analyses based on first principles of the structure, the electronic properties and the optical absorption in which the difference between symmetrically non-equivalent atoms has been considered. The high absorption coefficients of these materials are split into chemical species contributions in accordance with the symmetry. The high optical absorption in these materials is mainly because of the Cr–O inter-species transitions.

Optical detection of cytochrome P450 by sensitizer-linked substrates

The ability to detect, characterize, and manipulate specific biomolecules in complex media is critical for understanding metabolic processes. Particularly important targets are oxygenases (cytochromes P450) involved in drug metabolism and many disease states, including liver and kidney dysfunction, neurological disorders, and cancer. We have found that Ru photosensitizers linked to P450 substrates specifically recognize submicromolar cytochrome P450cam in the presence of other heme proteins. In the P450:Ru-substrate conjugates, energy transfer to the heme dramatically accelerates the Ru-luminescence decay. The crystal structure of a P450cam:Ru-adamantyl complex reveals access to the active center via a channel whose depth (Ru-Fe distance is 21 Å) is virtually the same as that extracted from an analysis of the energy-transfer kinetics. Suitably constructed libraries of sensitizer-linked substrates could be employed to probe the steric and electronic properties of buried active sites.

Investigação do mecanismo cinético da reação de redução de oxigênio em solventes não aquosos

O aumento no consumo energético e a crescente preocupação ambiental frente à emissão de gases poluentes criam um apelo mundial favorável para pesquisas de novas tecnologias não poluentes de fontes de energia. Baterias recarregáveis de lítio-ar em solventes não aquosos possuem uma alta densidade de energia teórica (5200 Wh kg-1), o que as tornam promissoras para aplicação em dispositivos estacionários e em veículos elétricos. Entretanto, muitos problemas relacionados ao cátodo necessitam ser contornados para permitir a aplicação desta tecnologia, por exemplo, a baixa reversibilidade das reações, baixa potência e instabilidades dos materiais empregados nos eletrodos e dos solventes eletrolíticos. Assim, neste trabalho um modelo cinético foi empregado para os dados experimentais de espectroscopia de impedância eletroquímica, para a obtenção das constantes cinéticas das etapas elementares do mecanismo da reação de redução de oxigênio (RRO), o que permitiu investigar a influência de parâmetros como o tipo e tamanho de partícula do eletrocatalisador, o papel do solvente utilizado na RRO e compreender melhor as reações ocorridas no cátodo dessa bateria. A investigação inicial se deu com a utilização de sistemas menos complexos como uma folha de platina ou eletrodo de carbono vítreo como eletrodos de trabalho em 1,2-dimetoxietano (DME)/perclorato de lítio (LiClO4). A seguir, sistemas complexos com a presença de nanopartículas de carbono favoreceu o processo de adsorção das moléculas de oxigênio e aumentou ligeiramente (uma ordem de magnitude) a etapa de formação de superóxido de lítio (etapa determinante de reação) quando comparada com os eletrodos de platina e carbono vítreo, atribuída à presença dos grupos laterais mediando à transferência eletrônica para as moléculas de oxigênio. No entanto, foi observada uma rápida passivação da superfície eletrocatalítica através da formação de filmes finos de Li2O2 e Li2CO3 aumentando o sobrepotencial da bateria durante a carga (diferença de potencial entre a carga e descarga > 1 V). Adicionalmente, a incorporação das nanopartículas de platina (Ptnp), ao invés da folha de platina, resultou no aumento da constante cinética da etapa determinante da reação em duas ordens de magnitude, o qual pode ser atribuído a uma mudança das propriedades eletrônicas na banda d metálica em função do tamanho nanométrico das partículas, e estas modificações contribuíram para uma melhor eficiência energética quando comparado ao sistema sem a presença de eletrocatalisador. Entretanto, as Ptnp se mostraram não específicas para a RRO, catalisando as reações de degradação do solvente eletrolítico e diminuindo rapidamente a eficiência energética do dispositivo prático, devido ao acúmulo de material no eletrodo. O emprego de líquido iônico como solvente eletrolítico, ao invés de DME, promoveu uma maior estabilização do intermediário superóxido formado na primeira etapa de transferência eletrônica, devido à interação com os cátions do líquido iônico em solução, o qual resultou em um valor de constante cinética da formação do superóxido de três ordens de magnitude maior que o obtido com o mesmo eletrodo de carbono vítreo em DME, além de diminuir as reações de degradação do solvente. Estes fatores podem contribuir para uma maior potência e ciclabilidade da bateria de lítio-ar operando com líquidos iônicos.

Polímeros de coordenação à base de cobalto(II) e N,N'-bis(4-piridil)-1,4,5,8-naftaleno diimida como ligante e suas propriedade estruturais, espectroscópicas e fotoelétricas

Polímeros de coordenação têm atraído a atenção de pesquisadores na última década por conta de sua incrível versatilidade e virtualmente infinito número de possibilidades de combinação de ligantes orgânicos e centros metálicos. Estes compostos normalmente herdam as características magnéticas, eletrônicas e espectroscópicas de seus componentes base. Entretanto, apesar do crescente número de trabalhos na área, ainda são raros os polímeros de coordenação que apresentem condutividade elétrica. Para este fim, utilizou-se a N,N\'-bis(4-piridil)-1,4,5,8-naftaleno diimida, ou NDI-py, que pertence a uma classe de compostos rígidos, planares, quimicamente e termicamente estáveis e que já foram extensamente estudados por suas propriedades fotoeletroquímicas e semicondução do tipo n. O primeiro polímero de coordenação sintetizado, MOF-CoNDI-py-1, indicou ser um polímero linear, de estrutura 1D. O segundo, MOF-CoNDI-py-2, que conta com ácido tereftálico como ligante suporte, é um sólido cristalino com cela unitária monoclínica pertencente ao grupo espacial C2/c, determinado por difração de raios-X de monocristal. A rede apresenta um arranjo trinuclear de íons Co(II) alto spin com coordenados em uma geometria de octaedro distorcido, enquanto os ligantes NDI-py se encontram em um arranjo paralelo na estrutura, em distâncias apropriadas para transferência eletrônica. Com o auxílio de cálculo teóricos a nível de DFT, foi realizado um estudo aprofundado dos espectros eletrônicos e vibracionais, com atribuição das transições observadas, tanto para o MOF-CoNDI-py-2 quanto para o ligante NDI-py livre. A rede de coordenação absorve em toda a região do espectro eletrônico analisada, de 200 nm a 2500 nm, além de apresentar luminescência com característica do ligante. Dispositivos eletrônicos fabricados com um cristal do MOF-CoNDI-py-2 revelaram condutividades da ordem de 7,9 10-3 S cm -1, a maior já observada para um MOF. Além de elevada, a condutividade elétrica dos cristais demonstrou-se altamente anisotrópica, sendo significativamente menos condutor em algumas direções. Os perfis de corrente versus voltagem foram analisados em termos de mecanismos de condutividade, sendo melhores descritos por um mecanismo limitado pelo eletrodo to tipo Space-Charge Limited Current, concordando com a proposta de condutividade através dos planos de NDI-py na rede. A condutividade dos cristais também é fortemente dependente de luz, apresentando fotocondução quando irradiado por um laser vermelho, de 632 nm, enquanto apresenta um comportamento fotorresistivo frente a uma fonte de luz branca. Estes resultados, combinados, trazem um MOF em uma estrutura incomum e com elevada condutividade elétrica, modulada por luz, em medidas diretas de corrente. Não existem exemplos conhecidos de MOFs na literatura com estas características.

Síntese, caracterização e aplicações de fluoróforos derivados do BODIPY

O desenvolvimento de técnicas analíticas, espectroscópicas e de imagem baseadas na detecção da fluorescência está associado com a necessidade por marcadores fluorescentes com variadas características e aplicabilidades. Dentre os diversos marcadores fluorescentes disponíveis, os derivados de borodipirrometenos (BODIPY), descobertos no final da década de 1960, passaram a ser amplamente utilizados desde o final da década de 1980. Esta tese de doutorado se trata de um estudo pioneiro no Brasil, envolvendo a síntese, modificação química e caracterização fotofísica de BODIPYs. Na primeira etapa do projeto métodos de obtenção de BODIPYs foram estabelecidos e aplicados na síntese de uma biblioteca de sondas fluorescentes. O estudo fotofísico dessa biblioteca de fluoróforos nos possibilitou identificar e estudar particularidades de alguns fluoróforos, como o solvatocromismo, halocromismo e ionocromismo. A segunda etapa do projeto envolveu o estabelecimento de métodos de modificação química de BODIPYs visando a diversificação fotofísica e estrutural da biblioteca de compostos. Foram sintetizados BODIPYs reativos que foram submetidos a reações de substituição nucleofílica, Suzuki, Sonogashira, Knoevenagel e arilação direta, levando à obtenção de compostos com propriedades ópticas diversas. Por fim, na terceira etapa do projeto, está descrito o desenvolvimento de novos métodos de modificação química de fluoróforos BODIPY. Foi desenvolvido um método simples de tiocianação direta dessa classe de compostos com bons rendimentos, baseado na utilização de tiocianato de amônio e oxone ®. O escopo e as limitações do novo método de tiocianação foi estudado em BODIPYs com propriedades eletrônicas diversas. Foi mostrada ainda a conversão de BODIPYs tiocianados a derivados tioalquilados com características ópticas particulares. Em conclusão, com esta tese de doutorado foi estabelecida uma linha de pesquisa inovadora envolvendo a síntese e modificação química de uma classe de compostos com ampla aplicação tecnológica.

Antichagásicos potenciais: síntese e modelagem molecular de híbridos de hidrazonas e liberadores de óxido nítrico

A doença de Chagas é uma parasitose extremamente negligenciada, cujo agente etiológico é o protozoário Trypanosoma cruzi. Atualmente, 21 países da América Latina são considerados regiões endêmicas, onde 75-90 milhões de pessoas estão expostas à infecção, 6-7 milhões estão infectadas e mais de 41 mil novos casos surgem por ano. Entretanto, apenas os fármacos nifurtimox e benznidazol estão disponíveis no mercado. Estes, além da baixa eficácia na fase crônica da parasitose, apresentam diversos efeitos adversos, sendo que no Brasil apenas o benznidazol é utilizado. Este fato mostra a importância de se ampliar o número de fármacos disponíveis e propor quimioterapia mais eficaz para o tratamento da doença de Chagas. Como forma de contribuir para essa busca, este trabalho objetiva a síntese de compostos híbridos bioisostéricos N-acilidrazônicos e sulfonilidrazônicos, contendo grupo liberador de óxido nítrico, com potencial de interação com cisteíno-proteases parasitárias, tais como a cruzaína. Nestes derivados, os grupos liberadores de óxido nítrico utilizados foram os grupos furoxano (contendo substituinte metílico e fenílico) e éster nitrato. Propôs-se a variação de anéis aromáticos substituídos e não-substituídos, com o intuito de avaliar a possível relação estrutura-atividade (REA) desses análogos. Até o momento, somente os compostos da série N-acilidrazônica tiveram avaliação biológica realizada. Os valores de IC50 dos compostos na forma amastigota do parasita variaram entre >100 a 2,88 µM, sendo este último valor comparável ao fármaco de referência. A atividade inibitória frente à cruzaína foi de 25,2 µM a 2,2 µM. Já a liberação de óxido nítrico foi avaliada pelo método indireto de detecção de nitrato e os valores variaram entre 52,0 µM e 4.232,0 µM. Estes são bem inferiores ao composto padrão, além de não se identificar correlação direta entre a atividade biológica e a liberação de NO. Na sequência, os dois compostos mais ativos (6 e 14) foram submetidos a estudos de permeabilidade e de citotoxicidade. O composto 6 foi considerado o de maior permeabilidade segundo o Sistema de Classificação Biofarmacêutica (SCB) e todos os compostos apresentaram a taxa de fluxo menor que 2, indicando a ausência de mecanismo de efluxo. Na avaliação do potencial citotóxico desses compostos em células humanas, o derivado 6 apresentou índice de seletividade superior ao do benznidazol. Em estudos de modelagem molecular usando análise exploratória de dados (HCA e PCA), propriedades estéricas/geométricas e eletrônicas foram consideradas as mais relevantes para a atividade biológica. Além disso, estudos de docking mostraram que a posição do grupo nitro no anel aromático é importante para a interação com a cruzaína. Ademais o composto 6 não provocou mudanças significativas no ciclo celular e na fragmentação de DNA em células humanas, mostrando-se como líder promissor para futuros estudos in vivo. Atividade tripanomicida, citotoxicidade, potencial de liberação de NO e estudos de permeabilidade dos 23 derivados sulfonilidrazônicos e ésteres nitrato estão sendo avaliados.

Vacancy-induced magnetism in graphene and graphene ribbons

We address the electronic structure and magnetic properties of vacancies and voids both in graphene and graphene ribbons. By using a mean-field Hubbard model, we study the appearance of magnetic textures associated with removing a single atom (vacancy) and multiple adjacent atoms (voids) as well as the magnetic interactions between them. A simple set of rules, based on the Lieb theorem, link the atomic structure and the spatial arrangement of the defects to the emerging magnetic order. The total spin S of a given defect depends on its sublattice imbalance, but some defects with S=0 can still have local magnetic moments. The sublattice imbalance also determines whether the defects interact ferromagnetically or antiferromagnetically with one another and the range of these magnetic interactions is studied in some simple cases. We find that in semiconducting armchair ribbons and two-dimensional graphene without global sublattice imbalance, there is a maximum defect density above which local magnetization disappears. Interestingly, the electronic properties of semiconducting graphene ribbons with uncoupled local moments are very similar to those of diluted magnetic semiconductors, presenting giant Zeeman splitting.

Spin-orbit interaction in curved graphene ribbons

We study the electronic properties of electrons in flat and curved zigzag graphene nanoribbons using a tight-binding model within the Slater Koster approximation, including spin-orbit interaction. We find that a constant curvature across the ribbon dramatically enhances the action of the spin-orbit term, strongly influencing the spin orientation of the edge states: Whereas spins are normal to the surface in the case of flat ribbons, this is no longer the case for curved ribbons. This effect is very pronounced, the spins deviating from the normal to the ribbon, even for very small curvature and a realistic spin orbit coupling of carbon. We find that curvature results also in an effective second neighbor hopping that modifies the electronic properties of zigzag graphene ribbons. We discuss the implications of our findings in the spin Hall phase of curved graphene ribbons.

Spin-filtered edge states in graphene

Spin–orbit coupling changes graphene, in principle, into a two-dimensional topological insulator, also known as quantum spin Hall insulator. One of the expected consequences is the existence of spin-filtered edge states that carry dissipationless spin currents and undergo no backscattering in the presence of non-magnetic disorder, leading to quantization of conductance. Whereas, due to the small size of spin–orbit coupling in graphene, the experimental observation of these remarkable predictions is unlikely, the theoretical understanding of these spin-filtered states is shedding light on the electronic properties of edge states in other two-dimensional quantum spin Hall insulators. Here we review the effect of a variety of perturbations, like curvature, disorder, edge reconstruction, edge crystallographic orientation, and Coulomb interactions on the electronic properties of these spin filtered states.

Novel Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes for water electrolysis and electrocatalytic oxidation of organics

Mixed metal oxide (MMO) electrodes have been applied to different technologies including chlorine production, organic compounds oxidation, water electrolysis, electroplating, etc. due to their catalytic, optical and electronic properties. Most of the existing MMO electrodes contain either toxic metals or precious metals of the platinum group. The aim of this study was to develop environmentally friendly and cost-effective MMO electrodes for water and organic compounds oxidation. Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes of different nominal composition were prepared, and electrochemically and physically characterized. For water oxidation, Ti/SnO2 electrode with 5 at.% of Ta produced the highest electroactivity. Ti/SnO2 electrode with 7.5 at.% of Ta showed the best performance for the oxidation of methylene blue (MB). The electrocatalytic activity of the Ti/Ta2O5-SnO2 electrodes increased with the number of active layers. The maximum current of water oxidation reached 3.5 mA at 2.5 V when the electrode was covered with ten layers of Ta2O5. In case of the oxidation of 0.1 mM MB, eight and ten active layers of Ta2O5 significantly increased the electrode activity. The prepared electrodes have been found applicable for both water electrolysis and organic compounds oxidation.