Desenvolvimento de células solares de perovskita baseadas em filmes de óxidos nanoestruturados

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

Nanopartículas de CeO2 modificadas com Er obtidas pelo método hidrotermal microondas: estudo fotoluminescente

The development of nanostructured materials have aroused great interest of the industries all over the country, since they enable the development of devices that can be used as gate insulators on silicon transistors, electrochromic devices, solid electrolyte oxygen sensors and as a photoluminescent materials . In this project, it is proposed to investigate the optical properties of CeO2 modified with rare earth Er processed in hydrothermal-microwave. The synthesis of one-dimensional nanostructures (1D) was measured from dilute aqueous solutions of acids and salts of starting reagents in the presence of chemical basis, after these aqueous solutions were processed on hydrothermal-microwave to particle growth. The particles obtained after processing were characterized by X-ray Diffraction, Rietveld Analysis and Raman Spectroscopy. The particle morphology was observed by scanning electron microscopy with field emission gun. The synthesis of 1D nanostructures are evaluated for different surfactants and starting precursors (ceria different salts), pH, temperature and pressure which can modify the morphology of the nanostructures. Combining laboratory experiments and theoretical calculations it was desired to understand the organization of the nanoparticles and their resulting structure. Strict control of chemical homogeneity, crystal structure, microstructure and interaction of the CeO2 cluster with different surfactants using the Hartree-Fock method, was intended to obtain properties compatible with their use in catalysts and optical devices. The use of mineralizer agent KOH and 8 minutes of processing time synthesis conditions were chosen to evaluate the effect of Er dopant. It has been proved that this doping with rare earth increases the photoluminescent properties of the compound obtained without change the structural and morphological propreties of ceria

Desenvolvimento de células solares de perovskita baseadas em filmes de óxidos nanoestruturados

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

Nanopartículas de CeO2 modificadas com Er obtidas pelo método hidrotermal microondas: estudo fotoluminescente

The development of nanostructured materials have aroused great interest of the industries all over the country, since they enable the development of devices that can be used as gate insulators on silicon transistors, electrochromic devices, solid electrolyte oxygen sensors and as a photoluminescent materials . In this project, it is proposed to investigate the optical properties of CeO2 modified with rare earth Er processed in hydrothermal-microwave. The synthesis of one-dimensional nanostructures (1D) was measured from dilute aqueous solutions of acids and salts of starting reagents in the presence of chemical basis, after these aqueous solutions were processed on hydrothermal-microwave to particle growth. The particles obtained after processing were characterized by X-ray Diffraction, Rietveld Analysis and Raman Spectroscopy. The particle morphology was observed by scanning electron microscopy with field emission gun. The synthesis of 1D nanostructures are evaluated for different surfactants and starting precursors (ceria different salts), pH, temperature and pressure which can modify the morphology of the nanostructures. Combining laboratory experiments and theoretical calculations it was desired to understand the organization of the nanoparticles and their resulting structure. Strict control of chemical homogeneity, crystal structure, microstructure and interaction of the CeO2 cluster with different surfactants using the Hartree-Fock method, was intended to obtain properties compatible with their use in catalysts and optical devices. The use of mineralizer agent KOH and 8 minutes of processing time synthesis conditions were chosen to evaluate the effect of Er dopant. It has been proved that this doping with rare earth increases the photoluminescent properties of the compound obtained without change the structural and morphological propreties of ceria

Sulfur Radicals as Tethers for the Adsorption of Aromatic Molecules on Silicon Surface

In this work we employ the state of the art pseudopotential method, within a generalized gradient approximation to the density functional theory, to investigate the adsorption process of benzenethiol and diphenyl disulfide with the silicon (001) surface. A direct comparison of different adsorption structures with Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) allow us to identify that benzenethiol and diphenyl disulfide dissociatively adsorb on the silicon surface. In addition, theoretically obtained data suggests that the C6H5SH:Si(001) presents a higher Schottky barrier height contact when compared to other similar aromatic molecules.

Avaliação do molhamento da matriz de um concreto refratário (Al2O3-SiC-SiO2-C) por escórias sintéticas contendo distintos teores de MgO

O comportamento de espalhamento de quatro escórias sintéticas foi investigado pelo método da gota séssil, quando em contato com a matriz de um concreto refratário contendo alto teor de carbono e carbeto de boro como agente antioxidante. A evolução do molhamento do sólido foi monitorada a 1450, 1550 e 1650 ºC por 1800 s. Além disso, simulações termodinâmicas foram efetuadas, usando o programa FactSage®, visando promover um maior entendimento das reações químicas que podem ocorrer na interface dos materiais avaliados. Foi observado que a composição química do líquido afetou diretamente o espalhamento deste e quanto maior o teor de MgO na composição da escória, maiores foram os valores do ângulo de contato entre líquido e sólido. No entanto, em altas temperaturas e tempos prolongados, foram verificadas a formação de bolhas na superfície do líquido e a infiltração das escórias nos poros do refratário. Estes fatores afetaram negativamente e tornaram menos conclusivos os dados coletados nos ensaios propostos, apontando que ainda são necessários aperfeiçoamentos da técnica de molhabilidade para a avaliação de materiais complexos, tais como os concretos refratários.

Spectroscopic investigation and heat generation of Yb3+/Ho3+ codoped aluminosilicate glasses looking for the emission at 2 μm

Energy transfer (ET) and heat generation processes in Yb3+/Ho3+-codoped low-silica calcium aluminosilicate glasses were investigated using thermal lens (TL) and photoluminescence measurements looking for the emission around 2.0 μm. Stepwise ET processes from Yb3+ to Ho3+, upon excitation at 0.976 μm, produced highly efficient emission in the mid-infrared range at around 2.0 μm, with high fluorescence quantum efficiency (η1 ∼ 0.85 and independent of Ho3+ concentration) and relatively very low thermal loading (<0.4) for concentration up to 1.5% of Ho2O3. An equation was deduced for the description of the TL results that provided the absolute value of η1 and the number of emitted photons at 2.0 μm per absorbed pump photon by the Yb3+ ions, the latter reaching 60% for the highest Ho3+ concentration. These results suggest that the studied codoped system would be a promising candidate for the construction of photonic devices, especially for medical applications.

A simple-versatile approach to achieve all-Si-based optical micro-cavities

At present, solid thin films are recognized by their well established and mature processing technology that is able to produce components which, depending on their main characteristics, can perform either passive or active functions. Additionally, Si-based materials in the form of thin films perfectly match the concept of miniaturized and low-consumption devices-as required in various modern technological applications. Part of these aspects was considered in the present work that was concerned with the study of optical micro-cavities entirely based on silicon and silicon nitride thin films. The structures were prepared by the sputtering deposition method which, due to the adopted conditions (atmosphere and deposition rate) and arrangement of layers, provided cavities operating either in the visible (at ~ 670 nm) or in the near-infrared (at ~ 1560 nm) wavelength ranges. The main differential of the work relies on the construction of optical microcavities with a reduced number of periods whose main properties can be changed by thermal annealing treatments. The work also discusses the angle-dependent behavior of the optical transmission profiles as well as the use of the COMSOL software package to simulate the microcavities.

Estudo da cinética da tirosinase imobilizada em nanopartícula de sílica com obtenção de revestimento de eumelanina

Melanina é um polímero constituído por uma grande heterogeneidade de monômeros tendo como característica comum a presença de grupos indóis. Por outro lado, a eumelanina produzida pela oxidação enzimática da tirosina é um polímero mais simples constituído principalmente de monômeros 5,6-dihidroxindol (DHI) e de indol-5,6-quinona (IQ). Tirosinase é a enzima chave na produção de melanina, sendo que a sua atividade cinética é medida em função da formação do intermediário dopacroma. Nanopartículas (NPs) de sílica são partículas nanométricas compostas de oxido de silício e são obtidas pelo processo sol-gel desenvolvido por Stöber de hidrólise e condensação de tetraetilortosilicato (TEOS), usando etanol como solvente em meio alcalino. As NPs foram funcionalizadas com 3-Aminopropiltrietoxissilano (ATPES) e depois com glutaraldeído. Este último permitiu a imobilização da tirosinase na superfície da sílica. Caracterizamos as NPs antes e após a reação da enzima, a atividade catalítica da enzima ligada à NP e o mecanismos de formação de melanina na superfície da sílica. As NPs foram caracterizadas por espectrofotometria de absorção e de reflectância, termogravimetria e microscopia eletrônica. A síntese da NP de sílica retornou partículas esféricas com 55nm de diâmetro e a funcionalização da partícula mostrou modificar eficientemente a sua superfície. A imobilização da tirosinase por ligação covalente foi de 99,5% contra 0,5% da adsorção física. A atividade da tirosinase foi caracterizada pela formação de dopacroma. O Km da enzima imobilizada não sofreu alteração em comparação com a tirosinase livre, mas a eficiência catalítica - que considera a eficiência recuperada - foi de apenas 1/3 para a enzima ligada covalentemente, significando que 2/3 das enzimas ligadas não estão ativas. Obtivemos NPs revestidas com melanina a partir de oxidação de tirosina solubilizada em duas preparações: NP com tirosinase ligada covalentemente na superfície e NP funcionalizada com glutaraldeido dispersa em solução de DHI e IQ. O revestimento de melanina foi na forma de um filme fino com espessura ~1,9nm, conferindo perfil de absorção luminosa equivalente ao da própria melanina. Mostramos que o mecanismo de polimerização passa pela oxidação da tirosina pela tirosinase, que gera intermediários oxidados (principalmente DHI e IQ) que vão para solução (mesmo quando a tirosinase está ligada covalentemente na sílica). Estes intermediários ligam-se ao glutaraldeido e a superfície da sílica passa a funcionar como ambiente de polimerização da melanina.

Estudo da cristalinidade de filmes finos de nitreto de índio e simulado pelo pacote de programas Wien2k

Neste trabalho, foi utilizado o método de deposição assistida por feixe de íons (IBAD na sigla em inglês) para produção de filmes finos de nitreto de índio em substratos de silício (111) e Safira-C. Variando as condições de deposição e utlilizando a técnica de difração de raios-X, investigou-se com o intuito de obter os parâmetros que resultam em filmes finos com melhor grau de cristalinidade. Os filmes produzidos a 380C apresentaram alta cristalinidade, superior àqueles a 250C. Temperaturas muito superiores a 380C não ocasionam a formação de filme cristalino de InN, como foi observado ao utilizar a temperatura de 480C; o mesmo se observa ao utilizar temperatura ambiente. Na temperatura considerada adequada ,de 380C, obteve-se que a utilização de Ra, ou seja, a razão de fluxo de partículas entre o nitrogênio e índio, em torno de 2,3 permite obter um melhor grau de cristalinização, o qual decresce conforme se diverge desse valor. A comparação entre difratogramas de amostras produzidas com e sem a evaporação prévia de titânio, o qual é possível observar um deslocamento dos picos do InN, indicam que o efeito Gettering permite a redução de impurezas no filme, principalmente de oxigênio. Utilizou-se a técnica de Retroespalhamento de Rutherford para obtenção da composição dos elementos e o perfil de profundidade. Notou-se uma forte mistura dos elementos do substrato de silício e safira com o nitreto de índio mesmo próximos a superfície. A presença indesejável de impurezas, principalmente o oxigênio, durante a deposição de filmes finos é praticamente inevitável. Desta forma, cálculos ab initio baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) foram realizados para investigar defeitos isolados e complexos de oxigênio no nitreto de índio e a sua influência nas propriedades óticas. Considerou-se diferentes concentrações de oxigênio (x=2,76, 8,32, 11,11 e 22,22%) aplicando-se o método PBEsolGGA e TB-mBJ para o tratamento da energia e potencial de troca e correlação. Obteve-se que é energeticamente favorável o oxigênio existir principalmente como defeito carregado e isolado. Os resultados utilizando a aproximação de TB-mBJ indicam um estreitamento do bandgap conforme a concentração de oxigênio aumenta. Entretanto, a alta contribuição do efeito de Moss-Burstein resulta num efetivo alargamento do band gap, gerando valores de band gap ótico maiores que no do bulk de nitreto de índio.

Produção e caracterização de guias de onda dopados com terras-raras contendo nanopartículas semicondutoras.

O presente trabalho tem como objetivo estudar a produção e caracterização de filmes finos do tipo GeO2-Bi2O3 (BGO) produzidos por sputtering-RF com e sem nanopartículas (NPs) semicondutoras, dopados e codopados com íons de Er3+ ou Er3+/Yb3+ para a produção de amplificadores ópticos. A produção de guias de onda do tipo pedestal baseados nos filmes BGO foi realizada a partir de litografia óptica seguida por processo de corrosão por plasma e deposição física a vapor. A incorporação dos íons de terras-raras (TRs) foi verificada a partir dos espectros de emissão. Análises de espectroscopia e microscopia foram indispensáveis para otimizar os parâmetros dos processos para a construção dos guias de onda. Foi observado aumento significativo da luminescência do Er3+ (região do visível e do infravermelho), em filmes finos codopados com Er3+/Yb3+ na presença de nanopartículas de Si. As perdas por propagação mínimas observadas foram de ~1,75 dB/cm para os guias pedestal em 1068 nm. Para os guias dopados com Er3+ foi observado aumento significativo do ganho na presença de NPs de silício (1,8 dB/cm). O ganho óptico nos guias de onda amplificadores codopados com Er3+/Yb3+ e dopados com Er3+ com e sem NPs de silício também foi medido. Ganho de ~8dB/cm em 1542 nm, sob excitação em 980 nm, foi observado para os guias pedestal codopados com Er3+/Yb3+ (Er = 4,64.1019 átomos/cm3, Yb = 3,60.1020 átomos/cm3) com largura de 80 µm; para os guias codopados com concentração superior de Er3+/Yb3+ (Er = 1,34.1021 átomos/cm3, Yb = 3,90.1021 átomos/cm3) e com NPs de Si, foi observado aumento do ganho óptico de 50% para guia com largura de 100 µm. Os resultados apresentados demonstram que guias de onda baseados em germanatos, com ou sem NPs semicondutoras, são promissores para aplicações em dispositivos fotônicos.

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.

Estudo de camadas anti-reflectoras para células solares

Trabalho de projecto de mestrado, Engenharia da Energia e Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Obtenção de Mo2C com adição de Co por reação gás-sólido em reator de leito fixo

Sulfur compounds emissions have been, on the late years, subject to more severe environmental laws due to its impact on the environment (causing the acid rain phenomena) and on human health. It has also been object of much attention from the refiners worldwide due to its relationship with equipment’s life, which is decreased by corrosion, and also with products’ quality, as the later may have its color, smell and stability altered by the presence of such compounds. Sulfur removal can be carried out by hydrotreating (HDT) which is a catalytic process. Catalysts for HDS are traditionally based on Co(Ni)-Mo(W)/Al2O3. However, in face of the increased contaminants’ content on crude oil, and stricter legislation on emissions, the development of new, more active and efficient catalysts is pressing. Carbides of refractory material have been identified as potential materials for this use. The addition of a second metal to carbides may enhance catalytic activities by increasing the density of active sites. In the present thesis Mo2C with Co addition was produced in a fixed bed reactor via gas-solid reaction of CH4 (5%) and H2(95%) with a precursor made of a mix of ammonium heptamolybdate [(NH4)6[Mo7O24].4H2O] and cobalt nitrate[Co(NO3)2.6H2O] at stoichiometric amounts. Precursors’ where analyzed by XRF, XRD, SEM and TG/DTA. Carboreduction reactions were carried out at 700 and 750°C with two cobalt compositions (2,5 and 5%). Reaction’s products were characterized by XRF, XRD, SEM, TOC, BET and laser granulometry. It was possible to obtain Mo2C with 2,5 and 5% cobalt addition as a single phase at 750°C with nanoscale crystallite sizes. At 700°C, however, both MoO2 and Mo2C phases were found by XRD. No Co containing phases were found by XRD. XRF, however, confirmed the intended Co content added. SEM images confirmed XRD data. The increase on Co content promoted a more severe agglomeration of the produced powder. The same effect was noted when the reaction temperature was increased. The powder synthesized at 750°C with 2,5% Co addition TOC analysis indicated the complete conversion from oxide material to carbide, with a 8,9% free carbon production. The powder produced at this temperature with 5% Co addition was only partially converted (86%)

Mecanismo de tolerância a falhas através de escalonamento para uma arquitetura reconfigurável de grão grosso

The continuous evolution of integrated circuit technology has allowed integrating thousands of transistors on a single chip. This is due to the miniaturization process, which reduces the diameter of wires and transistors. One drawback of this process is that the circuit becomes more fragile and susceptible to break, making the circuit more susceptible to permanent faults during the manufacturing process as well as during their lifetime. Coarse Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs) have been used as an alternative to traditional architectures in an attempt to tolerate such faults due to its intrinsic hardware redundancy and high performance. This work proposes a fault tolerance mechanism in a CGRA in order to increase the architecture fault tolerance even considering a high fault rate. The proposed mechanism was added to the scheduler, which is the mechanism responsible for mapping instructions onto the architecture. The instruction mapping occurs at runtime, translating binary code without the need for recompilation. Furthermore, to allow faster implementation, instruction mapping is performed using a greedy module scheduling algorithm, which consists of a software pipeline technique for loop acceleration. The results show that, even with the proposed mechanism, the time for mapping instructions is still in order of microseconds. This result allows that instruction mapping process remains at runtime. In addition, a study was also carried out mapping scheduler rate. The results demonstrate that even at fault rates over 50% in functional units and interconnection components, the scheduler was able to map instructions onto the architecture in most of the tested applications.