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Resumo: A crescente demanda do uso de sistemas de comunicação óptica, seja pelo aumento do número de usuários ou pela quantidade de informação enviada, requer um aumento substancial na necessidade de desenvolvimento de novos sistemas e componentes. Em termos de componentes aplicados à comunicação óptica, aqueles utilizados para a amplificação óptica são de grande importância. Entre eles estão presentes os amplificadores ópticos de semicondutores. Para aplicações após a modulação óptica, pré-detecção e analógicas, é importante alta linearidade dos amplificadores, para que não haja distorção dos sinais e informações enviadas. Já os amplificadores em saturação (de baixa linearidade) permitem grande robustez de desempenho e a redução da complexidade (e do custo) de componentes de micro-óptica em integrações híbridas, neste caso utilizados para compensar perdas ópticas devido ao sistema e ao envelhecimento dos lasers e corrigir efeitos da polarização. Sendo assim, nos dois extremos de condição de operação, não saturado e em saturação profunda, temos a possibilidade de utilizar o dispositivo em aplicações lineares ou não-lineares, respectivamente. Como a saturação do ganho de um amplificador depende da densidade de portadores injetadas no mesmo, propomos o desenvolvimento de amplificadores com multicontatos para a injeção não homogênea de portadores. Com base na idéia proposta acima, nossa dissertação de mestrado trata do projeto de amplificadores multi-contatos partindo do estudo das propriedades de saturação do ganho. Fabricamos um laser de semicondutor, do qual parâmetros empíricos foram extraídos. Desenvolvemos uma simulação de amplificadores de contatos únicos e de multi-contatos, cujos dados de entrada foram os parâmetros empíricos obtidos. Com a mesma estrutura epitaxial utilizada na fabricação do laser, fabricamos amplificadores de contato único e de multi-contatos. Caracterizamos os dispositivos e obtemos boa concordância qualitativa com nossas simulações. Obtemos um controle da linearidade em amplificação de sinais contínuos de -7 a 7 dBm para uma baixa corrente de bombeio das cavidades dos dispositivos

Resumo: Nesta tese estamos propondo o uso de carbono amorfo como um possível candidato para uso como camada antirrefletora em células solares de silício cristalino. O carbono amorfo pode ser preparado com alta banda proibida e tem propriedades importantes como alta dureza, baixo coeficiente de atrito, preparado à temperatura ambiente, etc. Além disso, o carbono amorfo é um material abundante na natureza e seu uso em eletrônica poderia reduzir o consumo de materiais tóxicos, contribuindo para reduzir danos ao meio ambiente. Foram exploradas as propriedades óticas dos filmes de carbono e carbono de silício produzidos por diferentes métodos de deposição (RF Glow Discharge, RF Sputtering e FCVA_Filtered Cathodic Vacuum Arc) visando a aplicação como camadas antirrefletoras em células solares. O estudo de propriedades óticas dos filmes, como a banda proibida, índice de refração, coeficiente de absorção e reflexão integrada foram determinantes para as conclusões deste trabalho. Para isto foram importantes a fabricação de células solares e o estudo dos principais parâmetros fotovoltaicos: eficiência, corrente de curto circuito, tensão de circuito aberto e fator de preenchimento. As células solares de silício monocristalino foram desenvolvidas a partir da técnica amplamente difundida e conhecida através da difusão térmica de dopantes de fósforo, as chamadas homojunções pn. Diferentes estruturas antirrefletoras à base de carbono foram estudadas e comparadas. Assim, investigamos o uso de carbono tipo diamante (diamond-like carbon DLC), carbono tipo polimérico (polimeric-like carbon ¿ PLC), carbono tetraédrico (ta-C), carbeto de silício (a-CxS ix-1:H). Para efeito de comparação com camadas antirrefletoras convencionais, adotamos o dióxido de estanho (SnO2) depositado pela técnica de spray químico. Os resultados mostraram que filmes de carbono amorfo funcionam como camada antirefletora em células solares, embora não tenha sido possível encontrar em um único material todas as condições ideais para uma camada antirrefletora em silício cristalino. O carbeto de silício se mostrou bastante promissor como um composto à base de carbono e o próprio silício, sendo utilizado na fabricação do dispositivo e abundante na natureza

Resumo: No nosso trabalho utilizamos o fenômeno da magnetoimpedância gigante (GMI) como uma ferramenta de pesquisa na caracterização de ferromagnetos amorfos. Estes materiais são muito moles do ponto de vista magnético, o que pode servir para diversas aplicações, tais como na construção de sensores e de dispositivos de alta frequencia. Na primeira parte da tese veremos como a GMI se torna uma técnica complementar na caracterização da cristalização em materiais amorfos. Na segunda parte da tese estudamos uma fita que apresenta histerese na GMI, de modo inédito utiliza-se o método de First Order Reversal Curves (FORC), em medidas da impedância. Os resultados apresentam um comportamento complexo, para os quais estamos propondo uma interpretação particular. Os materiais que mostram este comportamento podem ser úteis nas aplicações de, por exemplo, armazenamento de informação. Inicialmente, realizamos tratamento térmico convencional e por aquecimento Joule em fitas amorfas de composição Fe86Zr7Cu1B6 fabricadas pelo método melt spinning. Quando tratadas termicamente ocorre a cristalização de partículas a-Fe, e no geral o tamanho das partículas aumenta com o aumento da magnitude do tratamento (temperatura ou corrente). Nas medidas de magnetização vemos geralmente que a coercividade apresenta baixos valores e há um endurecimento nas amostras onde se observou um aumento no tamanho dos grãos no início da cristalização. Por outro lado, a fração cristalina nas amostras tem uma tendência ao aumento com o tratamento térmico, que se reflete nas medidas de raios X e da magnetização de saturação Ms. Vimos também que as medidas de GMI em função da frequência, apresentam resultados atípicos: diferente da relação com a raiz quadrada da frequência, a GMI máxima apresenta curvas que indicam uma diminuição da resposta GMI para frequências altas. Isto foi interpretado como sendo devido à não-homogeneidade da formação dos cristais no volume das amostras. Consideramos a relação inversa do coeficiente de penetração dm com a frequência. Vemos que com o aumento da frequência diminui a região onde circula a corrente ac a qual está mais próxima à superfície, onde há partículas maiores o que deixa o material magneticamente mais duro. Na segunda parte do trabalho apresentamos uma aplicação inovadora da união da técnica de caracterização FORC com medidas de GMI. Utilizamos fitas amorfas, de composição (FexCo1-x)70Si12B18 (x = 0,045; 0,048; 0,049; 0,050) que foram fabricadas pelo método melt spinning. Nestas induziu-se anisotropia transversal por meio de tratamentos térmicos junto à aplicação de tensão. A resposta GMI apresentou um comportamento histerético, o eu nos levou a querer usar a técnica FORC para entender a causa deste. A forma de interpretação das curvas e diagramas FORC apresentou um novo desafio. Sabemos que a variação da impedância é ocasionada pela variação da permeabilidade transversal na amostra. Foi proposta a hipótese de que o processo histerético se deve a uma transformação no tipo de paredes de domínio com o campo, de modo que cada tipo de parede tem uma µt associada. Observou-se também a dependência da distribuição FORC com a frequência, anisotropia, e relativa à componente da impedância (parte real ou imaginária)

Resumo: Dado o interesse nas propriedades e aplicações dos nanotubos de carbono devidas às suas características morfológicas, este trabalho tem como objetivo principal o estudo da influência do substrato no crescimento dos nanotubos de carbono. Com este objetivo em mente foram preparados filmes de nitreto de titânio, com o intuito de ser usados como suporte para a deposição dos nanotubos de carbono. Os nanotubos foram crescidos por decomposição térmica de acetileno, usando partículas de níquel como precursor catalisador. Os filmes finos não estequiométricos de TiNx foram depositados sobre silício cristalino utilizando a técnica de Deposição por Feixe de Íons (IBD). Análise composicional dos substratos mostrou a presença de Ti, N e O. Distintas concentrações destes elementos permitiram a variação na estrutura e dureza dos substratos. Nos filmes bem caracterizados, partículas de níquel e nanotubos de carbono foram crescidos sequencialmente. Os carpetes de nanotubos obtidos no substrato mostraram diferentes densidades populacionais (nanotubos por unidade de área) e diâmetro. Este comportamento está associado com a presença do oxigênio, elemento que inibe o fenômeno conhecido como Ostwald ripening. O efeito de Ostwald ripening55 causa a coalescência do níquel formando partículas maiores a expensas das menores, um estado final mais favoravelmente energético. A presença do oxigênio impede a difusão do níquel na superfície, interferindo no processo de coalescência. Consequentemente, uma grande densidade de partículas catalisadoras por unidade de área é mantida levando a maior densidade de nanotubos assim como modificações morfológicas das nanoestruturas. Portanto, estes resultados indicaram que filmes finos de TiNx, além de atuar como barreira difusora entre as partículas catalisadoras e o substrato de silício, também influencia a cinética dos nanotubos de carbono

Resumo: Nano-Peneiras são dispositivos de microfiltração que se diferenciam das membranas filtrantes por apresentarem uma distribuição homogênea de poros e baixa rugosidade na sua superfície. Estas características as tornam uma melhor alternativa para processos de separação que requerem alta seletividade na indústria de biotecnologia, fármacos e química. Por outro lado estas peneiras quando atingem poros com dimensões de alguns centos de nanômetros e estão feitas de materiais biocompativeis e biodegradáveis, são utilizadas em Micro-dispositivos Bio Eletro Mecânicos, BIO-MEMS. Entre as aplicações mais relevantes de peneiras poliméricas dentro dos BIO-MEMS podemos mencionar os bio-sensores e as biocapsulas para sistemas de liberação de drogas através de implantes dentro do corpo. Neste trabalho desenvolvemos um processo de fabricação de Peneiras Poliméricas Nanométricas utilizando a associação de técnicas de litografia interferométrica, litografia óptica, e micro-moldagem. As Peneiras foram fabricadas utilizando um sistema de litografia interferométrica UV, que foi construído durante esta tese. Foi estudada a homogeneidade dos poros das peneiras fabricadas através da analises estadísticas de imagens digitais de microscopia eletrônica. Por outro lado fizemos analises de seletividade da filtração utilizando partículas esféricas de poliestireno de diferentes tamanhos. Os resultados da analises estadística da morfologia dos poros mostraram uma alta qualidade na distribuição e na homogeneidade dos poros das peneiras que foram formados através da litografia interferométrica. Por outro lado os resultados das medidas de filtração de partículas apresentaram uma excelente seletividade na separação de partículas por tamanho, que confirmaram a homogeneidade das dimensões dos poros das nanopeneiras poliméricas

Resumo: Os resultados dessa tese podem ser separados em duas linhas principais: i) crescimento e caracterização de filmes finos ferroelétricos; ii) caracterização magnetoelétrica de filmes finos de Fe crescidos sobre substratos de BaTiO3. Conseguimos fabricar filmes finos simples de YMnO3 ortorrômbico, BaTiO3 e SrRuO3 por RF-magnetron sputtering e deposição por laser pulsado. Esses filmes foram caracterizados por diversas técnicas estruturais e espectroscópicas, demonstrando que em alguns casos obtivemos filmes epitaxiais de alta qualidade. Além dos resultados em filmes finos, neste trabalho de doutorado também investigamos a interação entre os domínios ferromagnéticos e os domínios ferroelétricos de um filme fino magnético crescido sobre um substrato ferroelétrico. Esse tipo de sistema se apresenta como uma heteroestrutura multiferroica magnetoelétrica. O objetivo desse trabalho é compreender como se dá a interação de um filme fino de ferro crescido sobre um monocristal ferroelétrico de BaTiO3. Para esse fim empregamos principalmente a técnica de microscopia de emissão de fotoelétrons (PEEM). Essa técnica permite obter informação micrométrica sobre o estado de polarização elétrica e magnetização da amostra. Dessa forma demonstramos que sob condições controladas existe uma interação entre os domínios ferroelétricos e ferromagnéticos nessa heteroestrutura. Nossos resultados mostraram que os domínios ferroelétricos do substrato de BaTiO3 determinam a orientação dos domínios magnéticos de camadas ultrafinas de Fe. Esses resultados demonstram o potencial desse tipo de heteroestrutura para aplicações onde um estado magnético pode ser alterado através de um potencial elétrico

Resumo: Este trabalho tem como finalidade mostrar a importância dos diferentes modos da Microscopia de Varredura por Ponta de Prova (SPM) numa abordagem complementar para o estudo de dois diferentes sistemas biológicos. O processo de formação de biofilmes da bactéria fitopatogênica Xylella fastidiosa (Xf) foi o primeiro sistema abordado neste trabalho. Neste caso nosso objetivo é levantar informações que possam complementar o modelo mais aceito atualmente e corroborar os resultados obtidos anteriormente em nosso grupo. As amostras foram preparadas sobre substratos de silício recoberto com ouro e cultivadas durante tempos de crescimento de 7, 14 e 21 dias. O principal modo utilizado foi a Microscopia de Força Atômica por Kelvin Probe por modulação de amplitude (AM-KPFM) que fornece o potencial de superfície com resolução nanométrica. Imagens por KPFM foram adquiridas simultaneamente com as de topografia e fase obtidas por Microscopia de Força Atômica no modo não-contato (NC-AFM). Os resultados obtidos revelaram um processo de recobrimento gradual das bactérias por um filme de substância polimérica extracelular (EPS), concordando com os modelos propostos na literatura, porém ainda não comprovados. Imagens adquiridas por microscopia óptica (MO) mostram um desenvolvimento mais lento dos biofilmes (BF) em comparação aos resultados de G. S. Lorite para BF sobre substratos de silício obtidos anteriormente em nosso grupo. Isto está de acordo com a preferência das bactérias por superfícies com potenciais mais altos. Um resultado original está na observação de protuberâncias encontradas nas extremidades das bactérias, que mostram sinal elétrico diferenciado do resto da célula. Acreditamos que estas estruturas estão relacionadas ao processo de reprodução, pois aparecem tanto em bactérias isoladas como nas que estão no BF para todos os tempos de crescimento. O segundo sistema estudado foi a formação de estrutura quadrúplex-G de DNA. As amostras de DNA foram preparadas sobre mica e medidas no modo NC-AFM. Embora o DNA seja um sistema muito estudado em AFM, o protocolo de preparação das amostras muda segundo o tipo de estrutura que se queira visualizar. Assim, a maior parte do trabalho neste caso consistiu em desenvolver este protocolo de preparação que permitisse a visualização por AFM das estruturas de interesse. Usando concentrações altas de DNA (5ng/µL) as imagens apresentaram estruturas auto-organizadas que impedem a visualizaçã da estrutura quadrúlex·G. Para concentraçõs menores que 0,5ng/µL conseguimos visualizar moléulas isoladas, mas ainda assim as moléulas nã ficaram num estado relaxado. Um resultado interessante foi encontrado nas imagens de fase de moléulas isoladas (com concentraçã de DNA de 0,1ng/µL) onde se observam diferençs estruturais no interior das moléulas, possivelmente devido àformaçã da estrutura quadrúlex-G. Estas diferençs de fase representam um resultado original e mostram a importâcia da complementaridade dos modos AFM na observaçã de fenôenos biolóicos

Resumo: Estudamos a interação entre laser e ruído em fibras ópticas, sua dependência com dispersão cromática e sua aplicação para caracterizar flutuações dos parâmetros de dispersao ao longo da fibra. A interacao é governada pela polarização não-linear de terceira ordem e, nesta tese, consideramos especificamente o processo de mistura de quatro ondas ou FMW (de Four-Wave Mixing) descrito por termos de ordem cúbica na amplitude do campo elétrico aplicado. Em particular, nós estamos interessados em termos que são lineares na amplitude do laser e quadraticos na do ruído. Devido a este processo, são geradas novas ondas que apresentam picos bem definidos no espectro e muito sensíveis aos parâmetros de dispersão de alta ordem (até quarta ordem e demonstrada nesta tese). Medidas com pulsos de curta duração (~ 100 ps para o laser e ~ 40 ps para o ruído em nossos experimentos) nos permitem caracterizar como os parâmetros de dispersão variam ao longo da fibra com boa resolução espacial (< 1 km). Apresentamos também uma resolução numérica das equações exatas para determinar como os parâmetros de dispersão, em fibras de perfil de índice degrau, dependem do raio do núcleo da fibra. Encontramos que variações de 0.1 µm (± 1%) do raio do núcleo da fibra produzem mudancas no comprimento de onda de dispersão nula (?0) e no pico de FWM (?FWM) que são consistentes com os resultados experimentais. Também verificamos a existencia de um valor do raio do núcleo da fibra o qual oferece propriedades de dispersao robustas para processos paramétricos. Este trabalho visa contribuir para a compreensão dos processos nao-lineares e campos estocásticos e, do ponto de vista prático, para o desenvolvimento de um método eficiente para medir variações na dispersão de alta ordem ao longo da fibra

Resumo: Um novo anel de armazenamento de elétrons está sendo projetado para a produção de luz síncrotron de alto brilho no Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), em Campinas. Para atingir um alto brilho, requer-se uma forte focalização do feixe, levando a fortes não-linearidades dos campos magnéticos, o que limita a região de estabilidade do movimento dos elétrons. Neste trabalho, estudamos a dinâmica destas partículas no anel e aplicamos métodos para a otimização da abertura dinâmica

Resumo: Recentemente, a primeira nanoroda molecular foi caracterizada a partir de experimentos com o microscópio de tunelamento eletrônico (STM). Foi demonstrado que a molécula de hidrocarboneto (C44H24) especificamente desenhada poderia rolar sobre a superfície de cobre ao longo da direção [110] da superfície. A molécula consiste em duas rodas baseadas no grupo triptycene as quais são conectadas por um eixo. Nós reportamos um estudo teórico da simulação desse processo. Usamos métodos ab initio (DMol 3) e de dinâmica molecular clássica (UFF). Consideramos diferentes orientações cristalográficas ([111], [110], e [100]) para a superfície de cobre, a fim de determinar como estas diferentes orientações afetam o processo de rolamento molecular. Nossos resultados estão em boa acordância com os dados experimentais disponíveis. As simulações mostraram que o mecanismo de rolamento só é possível para a direção [110]. Para as outras direções ([111] e [100]) a superfície é muito suave e não pode prover o torque necessário para o processo de rolamento. Para estes casos a molécula somente desliza (movimento de translação), sem rolar quando interage com a ponta do microscópio. Para a direção [110] a separação espacial entre as colunas de cobre é suficiente para travar a molécula e criar um torque. Além da superfície correta, a posição relativa da molécula sobre a superfície é muito importante. A molécula deve estar com seu eixo principal paralelo à direção [110]. Este efeito de comensurabilidade, entre a molécula e a superfície, é similar a difusão seletiva na superfície recentemente observada para outras classes de moléculas orgânicas. Os perfis experimentais observados para o empuramento, puxamento e rolamento também podem ser explicados em termos destas características geométricas entre a molécula e as diferentes direções cristalográficas do cobre