[pt] Neste trabalho estudamos a síntese e caracterização de nanotubos de carbono de paredes simples com incorporação de fósforo. Os nanotubos foram produzidos em duas diferentes temperaturas (800 e 850 Graus Celsius), usando um precursor em pó (fase sólida) sem diluição em nenhum liquido. O sistema utilizado na síntese foi o CVD em alto vácuo. Para a caracterização comparamos as amostras incorporadas com SWNTs crescidos com etanol. Usamos a espectroscopia Raman, espectroscopia de fotoelétrons induzida por raios x (XPS) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para caracterizar as amostras. A espectroscopia Raman e a microscopia eletrônica de transmissão foram usadas para confirmar a presença de SWNTs na amostra. Encontramos evidencia de que o fósforo foi incorporado nas amostras ao compararmos os espectros Raman dos SWNTs com amostra de referência. A partir dos resultados de XPS, observamos a presença de fósforo ligado a átomos de carbono que nós faz concluir que houve incorporação de fósforo nos nanotubos. / [en] In this work was studied the synthesis and characterization of single wall carbon nanotubes (SWCN) with phosphorus incorporation. The nanotubes were produced in two different temperatures (800 and 850 Degrees Celsius), using a powder precursor (solid phase) without liquid dilution. The system used for the synthesis was High Vacuum Chemical Vapor Deposition (HVCVD). The samples were characterized comparing the samples with phosphorus with SWNT synthetized with ethanol. Raman spectroscopy, x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) on transmission electron microscopy (TEM) were employed to characterize the samples. The Raman spectroscopy and TEM were employed to confirm the presence of SWNT in the samples. We found evidences that phosphorus were incorporated comparing the Raman spectra with the reference sample. The XPS results showed the presence of phosphorus atoms bonded to carbon atoms which make us conclude that the phosphorus were incorporated to the nanotubes.

[pt] Visando determinar os teores dos componentes relevantes e as propriedades físicas de gasolinas comerciais e sintéticas foram tomados espectros Raman de 60 gasolinas comerciais e 52 misturas sintéticas simulando gasolinas. Os espectros foram tomados em um espectrômetro Nicolet FT Raman 950. Os espectros brutos obtidos foram tratados para evitar a influência da variabilidade de potência do laser excitante sobre as intensidades das linhas Raman. As variáveis independentes (intensidades Raman ) e as variáveis dependentes (propriedades das gasolinas comerciais e misturas sintéticas ) foram centradas em torno da média e submetidas à regressão por mínimos quadrados parciais, visando ajustar modelos que permitissem predizer quantitativamente os teores de etanol, hidrocarbonetos saturados, insaturados e aromáticos além dos valores das propriedades MON, RON, densidade e pontos de ebulição inicial, final, a 10%, 50% e 90% das amostras em estudo. Os resultados obtidos mostraram a potencialidade da espectroscopia Raman, para o desenvolvimento de métodos confiáveis para a análise de diversas características das gasolinas estudadas. / [en] The aim of this work was to determine the contents of the more important components and physical properties of commercial gasolines and synthetic mixtures with known composition, prepared in the laboratory. The Raman spectra of 60 gasolines and 52 mixtures were acquired with a Nicolet 950 Fourier Transform Raman (FT-Raman) spectrometer. The raw spectra were treated to avoid the laser potency variability on Raman lines intensities. The independent variables (Raman intensities) and the dependent variables (gasolines and mixtures properties) were mean centered and models were fit by partial least square regression seeking to predict the contents of ethanol, saturated, unsaturated and aromatic hydrocarbons. Also properties as MON, RON, density and boiling point values were determined by this procedure. The final results showed the potential of Raman spectroscopy for analysis of several properties of gasolines.

[pt] Nesta tese descrevemos a preparação de grafeno, puro e dopado com boro, de camadas simples como também a produção de duas ou mais camadas de grafeno. O processo de transferência para outros substratos é discutido objetivando aplicações futuras. Descrevemos também a caracterização morfológica utilizando a microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FESEM). Espectroscopia Raman e por fotoelétrons induzidas por raios x (XPS) foram utilizadas para detectar e quantificar a dopagem com boro em amostras crescidas sobre substratos de cobre e transferidas para substratos de quartzo. Os resultados indicaram que a temperatura, pressão e tempo de crescimento são de fundamental importância para a síntese de grafeno, tendo sido realizado um estudo para formação a diferentes temperaturas, pressões e tempos de crescimento. Análises por XPS e por Raman indicaram que a maioria das amostras foram dopadas com boro de forma substitucional, apresentando também outros tipos de ambientes químicos na amostra, além das bandas G e 2D terem se deslocado para vermelho, que é um indicativo de dopagem. / [en] This thesis describes the preparation of pure and boron doped single layer graphene but, also graphene of two or more layers. The process of transfer to other substrates is discussed aiming future applications. We also describe the morphological characterization using field emission scanning electron microscopy (FESEM). Raman spectroscopy and x-ray induced photoelectron spectroscopy (XPS) were used to detect and quantify the doping with boron in the samples grown on copper substrate and transferred onto quartz substrates. The results indicated that the temperature, pressure and time of growth are crucial for graphene synthesis and we conducted a study in order to test different synthesis conditions: temperatures, pressures and times of growth. Analysis by XPS and Raman spectroscopy indicated that the majority of the samples were doped with boron in a substitution manner, also presenting other types of chemical environments in the sample in addition to the G and 2D bands had shifted to red, which is indicative of doping.

[pt] Os tópicos mais importantes a ser tratados nesta tese de doutorado são os vários problemas envolvidos na síntese de nanotubos contendo nitrogênio. Isto é principalmente motivado pelas possíveis aplicações que podem ser dadas a este tipo de estruturas. A motivação central está relacionada ao fato da possibilidade de fazer dopagens tipo -p e -n em nanotubos de carbono, incorporando átomos como boro ou nitrogênio. Isto está muito longe de ser uma trivialidade devido a que devemos levar em conta que se os nanotubos de carbono forem pensados como bases estruturais para nanocompósitos e dispositivos nanoeletronicos, é necessário controlar cuidadosamente a reatividade das paredes, sua dureza mecânica e o gap eletrônico por meio de um controle da quantidade de átomos inseridos nas paredes ou entre elas. Portanto, do ponto de vista de diferentes aplicações, é importante ter a possibilidade de dopar controladamente os nanotubos. Neste trabalho apresentam-se o quadro descritivo da dependência dos parâmetros de síntese, assim como uma investigação detalhada da formação de outras estruturas co-produto do processo de formação de nanotubos. Como uma idéia pioneira proposta neste trabalho, é enfatizado o uso de fontes puras de C/N em processos de síntese baseados em deposição química na fase de vapor. Desta maneira foi possivel determinar os efeitos da atmosfera de reação e o pretratamento do catalizador como agentes favoráveis ou desfavoráveis para a síntese efetiva de nanotubos de carbono. / [en] The main topic of this thesis is the study of various issues related to the synthesis of nitrogen containing nanotubes. This is mainly inspired in the possible applications such structures can have. The practical background lies in the fact that defined n- and p-doping of carbon nanotubes can be achieved by substituting carbon atoms from the tube walls by heteroatoms such as boron or nitrogen (N). This is far from been a triviality because we must keep in mind that if carbon nanotubes are to be used as future building blocks in nanocomposites and nanoelectronic devices, it is imperative to fine tune their wall reactivity, mechanical strength and electronic band gap by controlling the amount of foreign atoms inserted into the tube lattices. Therefore, from an applications standpoint, it is important to be able to carefully control the insertion of different dopants into nanotubes. In this work, a complete picture of the dependence on the combined synthesis parameters is established and a fundamental insight into the formation of N doped nanotubes and other structures (co- products) is provided. As a pioneering idea of this whole work, the use of pure C/N feedstocks in chemical vapor deposition methods is emphasized. With this, it was possible to determine the effects of the reaction atmosphere and the catalyst pretreatment as either favoring or disfavoring agents towards the synthesis of N-doped nanotubes.

[pt] A integração do grafeno nos dispositivos nanoeletrônicos depende da disponibilidade de processos de deposição de forma direta sobre o substrato. A deposição direta pode fornecer grafeno uniforme, com alta qualidade e em grande área sobre substratos semicondutores como sílicio ou germânio. Nesta tese, foi sintetizado grafeno diretamente sobre germânio dopado tipo p e com uma orientação cristalina (100) empregando a deposição química na fase vapor. Foi estudada a influência da relação de fluxo entre os gases CH4 e H2 no crescimento de grafeno. As técnicas empregadas para verificar a qualidade das amostras e o tipo de crescimento obtido foram a espectroscopia Raman, microscopia de varredura eletrônica, de tunelamento e de força atômica, e a espectroscopia de tunelamento. Determinamos que para as condições empregadas, o crescimento de grafeno sobre germânio é autolimitado, com a deposição de apenas uma única camada, com poucos defeitos na sua rede cristalina e com o nível de Fermi característico de um material com dopagem tipo n. / [en] The integration of graphene into nanoelectronic devices is dependent on the availability of direct deposition processes, which can provide uniform, large-area and high-quality graphene on semiconductor substrates such as Ge or Si. In this dissertation, we synthesized graphene directly on ptype Ge(100) substrates by chemical vapor deposition. The influence of the CH4:H2 flow ratio on the graphene growth was investigated. Raman Spectroscopy, Raman mapping, Scanning Electron Microscopy, Atomic Force Microscopy and Scanning Tunnelling Microscopy/Scanning Tunnelling Spectroscopy were the techniques employed to verify the quality of the samples and the type of growth. We determined that for the conditions employed, the growth of graphene is self-limited, with only a single layer deposition, with few defects in its crystalline lattice and with Fermi level characteristic of a material with doping type n.

[pt] Neste trabalho foi obtido um sensor de gás baseado no grafeno crescido por CVD. Amostras foram transferidas usando o polímero Poliuretano (PU) como camada de sacrifício, sendo confirmada a eficácia do método proposto quando comparado com aqueles existentes na literatura. Foi confirmada a qualidade do filme monocamada transferido mediante o controle dos defeitos gerados durante a transferência e a fabricação do dispositivo. Foram depositados sobre o grafeno contatos na forma de um circuito interdigitado e estudada a mudança da resistência do sensor construído para gases de NO2 e NH3. Espectroscopia Raman foi usada também neste trabalho para investigar o impacto da densidade dos defeitos no filme de grafeno na resposta do sensor de gás. O dispositivo proposto foi capaz de detectar baixas concentrações dos gases alvo testados. / [en] In this work a gas sensor based on graphene grown by CVD was obtained. Samples were transferred using Polyurethane (PU) polymer as the sacrificial layer, and the ecacy of the proposed method was confirmed when compared with those in the literature. The quality of the transferred monolayer film was confirmed by controlling the defects generated during the transfer and fabrication of the device. Contacts were deposited on top of the transferred film in the form of an interdigitated circuit and the sensor s resistance evolution was studied in the presence of NO2 and NH3. Raman spectroscopy was also used to investigate the impact of graphene defects density on the gas sensor response. The proposed device was able to detect low concentrations of the tested target gases.

[pt] O espaço interplanetário contem partículas de poeira cósmica originárias do meio interestrelar ou que são produtos da erosão de Asteroides, Meteoróides e Cometas. As partículas que chegam à superfície da Terra são chamadas de micro-meteoritos. Os micrometeoritos participam dos processos de erosão da superfície terrestre e, por isso, são estudados para se ter uma melhor compreensão da evolução do nosso planeta e do Sistema Solar. Um novo programa de pesquisa iniciado em 2016 no Departamento de Física da PUC-Rio tem os objetivos de 1) desenvolver um meio experimental para simular os impactos de micrometeoritos com a superfície terrestre e 2) analisar, as mudanças físico-químicas causadas pelos impactos nos minerais terrestres. A fim de simular o impacto dos micrometeoritos, empre-gou-se a técnica de Ablação por Laser, o que permitiu fazer deposições a taxas controladas de energia em áreas determinadas das amostras. Para este trabalho foram escolhidas amostras dos silicatos mais abundantes encontrados na crosta terrestre, como jadeíta, quartzo e feldspato. A ablação dos silicatos foi efetuada em dois meios: amostra no ar ou amostra em H2O. A principal técnica analítica utilizada foi a espectroscopia Raman. Complementarmente foram utilizadas a micros-copia óptica e a perfilometria. Um total de cerca 500 espectros Raman foram obti-dos, e várias bandas para cada amostra nos dois meios, antes e depois da ablação, foram analisadas estatisticamente. A análise energética e morfológica dos impactos por laser mostrou que a técnica de ablação por laser é razoavelmente boa para simular os impactos dos micrometeoritos com a crosta terrestre. A análise dos espetros Raman mostrou que depois da ablação, tanto no ar como em H2O deionizada, os três silicatos apresentaram modificações na intensidade, na largura e na posição do centro de várias das suas bandas principais. Constatou-se que, quando há modificações, o comportamento é o mesmo para todos os silicatos: deslocamento dos centros das bandas para números de onda menores. Os resultados da análise por espectroscopia Raman são encorajantes para a utilização desta técnica na caracterização e interpretação das mudanças espectrais e estruturais na superfície terrestre depois do impacto de micrometeoritos. Este trabalho, no melhor do nosso conheci-mento, nunca foi feito. A perspectiva é dar continuidade a esta linha de pesquisa, aumentando o número de experimentos de ablação por laser e estendendo a análise das amostras irradiadas a outras técnicas de caracterização complementares a espetroscopia Raman (espetroscopia UV-Vis-NIR, FTIR, ....). Além disso, numa fase futura de estudo, serão estudadas amostras mais complexas, onde material orgânico será adicionado aos silicatos já estudados. / [en] The interplanetary space contains particles of cosmic dust that come from the interstellar medium, or that are the product of the erosion of Asteroids, Meteoroids and Comets. The particles that reach the Earth s surface are called micrometeorites. Micrometeorites participate in the erosion processes of the Earth s surface and, therefore, are studied in order to have a better understanding of the evolution of our planet and the Solar System. A new research program was initiated in 2016 in the Department of Physics of PUC-Rio with the objectives of 1) finding an experimental means to simulate the impacts of micrometeorites with the terrestrial surface, and 2) analyzing the physical-chemical changes caused by the impacts on terrestrial minerals. In order to simulate the impact of micrometeorites the Laser Ablation technique was employed, which allowed us to make energy depositions at controlled rates in certain areas of the samples. For this work, we chose samples of the most abundant silicates found in the earth s crust, such as jadeite, quartz and feldspar. The ablation of the silicates was carried out in two medium: the sample in air, and the sample in H2O. The main analytical technique used was Raman spectroscopy. In addition, optical microscopy and profilometry were used. About 500 Raman spectra were obtained, and several bands for each sample and in each medium, before and after ablation, were statistically analyzed. The energetic and morphological analysis of the laser impacts showed that the technique of laser ablation is reasonably good to simulate the impacts of micrometeorites with the terrestrial crust. The analysis of the Raman spectra showed that after the ablation, in air as well as in deionized H2O, all three silicates presented modifications in the intensity, width and position of the center of several of their main bands. It was found that, when there were modifications, the behavior was the same for all silicates: a shift of the center of de bands to smaller wavelengths. The results of the analysis by Raman spectroscopy are encouraging to use this technique in the characterization and interpretation of the spectral and structural changes in the terrestrial surface after the impact of micrometeorites. This work, to the best of our knowledge, has never been done before. Its perspective is to give continuity to this line of research, incrementing the amount of experiments by laser ablation and extending the analysis of the irradiated samples to other characterization techniques that complement Raman spectroscopy (UV-Vis-NIR spectroscopy, FTIR, …). Also, in future studies, more complex samples will be studied, where organic material will be added to the already studied silicates.

[pt] Nanotubo de Carbono é um alótropo do Carbono cujo caráter 1D confere-lhe propriedades mecânicas, eletrônicas, térmicas, ópticas excepcionais. Por isso que cientistas têm estudado este material intensamente, tanto do ponto de vista teórico, como de um ponto de vista experimental. Um dos interesses de pesquisa experimental é se conseguir produzir de forma controlada Nanotubos de Carbono com propriedades otimizadas, para aplicações específicas. Outra linha de pesquisa experimental que existe é a de sintetizar Nanotubos de Carbono dopados, com o objetivo de se criar Nanotubos com novas propriedades físicas. A presente dissertação de Mestrado concentra-se na síntese de especificamente Nanotubos de paredes simples dopados com Boro, e tem como objetivos avaliar a viabilidade de se produzir tais Nanotubos dopados com níveis de dopagem controlados, assim como estudar as novas propriedades físicas que surgem em Nanotubos dopados. Inicialmente, neste trabalho será conduzida uma revisão da atual literatura científica sobre Nanotubos de Carbono, com foco nas diferenças físicas entre nanotubos puros e dopados. Em seguida, o aparato experimental e a metodologia utilizada serão descritos. Por fim, os resultados experimentais serão analisados objetivando-se entender a nova física por trás dos nanotubos dopados com Boro, assim como responder à questão se o método adotado conseguiu produzir Nanotubos dopados de forma controlada. / [en] Carbon nanotube is a carbon allotrope whose unique characteristic is its 1D geometry, and that has outstanding mechanical, electronic, thermal, optical properties. Nonetheless, this material has been deeply studied from theoretical and experimental standpoints. From the experimental point of view, there is the interest to create a controlled synthesis of Carbon Nanotubes with optimized physical properties for specific purposes. Another contemporary research interest is on the synthesis of doped Carbon Nanotubes, with the objective of inducing new properties on the Nanotube. This thesis work focuses on the synthesis of, specifically, Boron doped Single Walled Carbon Nanotubes, and aims to study the feasibility of producing Carbon Nanotubes with controlled doping levels by changing the precursor substance, and to understand the new physical properties that arise from the incorporation of Boron heteroatoms on the Carbon Nanotube structure. In this thesis work, a review of the current literature about Carbon Nanotube science is conducted, with focus on the differences in properties between pristine and doped tubes. Then, the experimental setup and methodology is explained. Finally, the experimental results are analyzed in order to understand the new physics of Boron doped Single Walled Carbon Nanotubes, and answer the question of whether a controllable method has been developed to dope Carbon Nanotubes.

[pt] Neste trabalho investigou-se a complexação entre o íon alumínio e ligantes como a adenosina 5-trifosfato, a fosfocreatina e aminoácidos pelas técnicas de titulação potenciométrica, espectroscopia Raman e cálculos teóricos em solução aquosa, para conhecer as características dos compostos formados. O estudo visou subsidiar o entendimento dos mecanismos de absorção e biodisponibilidade do alumínio. Tal compreensão poderia auxiliar as pesquisas clínicas relacionadas à prevenção e ao tratamento de doenças neurodegenerativas. O alumínio está presente na água e em vegetais, carnes, laticínios e aditivos alimentares. Soluções de nutrição parenteral, fórmulas infantis e medicamentos podem conter alumínio também. Em fluidos corporais, os nucleosídeos di e trifosfatos e os aminoácidos são bons ligantes para o íon alumínio. Biomoléculas da baixa massa molecular formam complexos que aumentam o pH de precipitação do íon e sua absorção gastrointestinal. Esta pesquisa analisou seis complexos formados com o íon alumínio em solução aquosa. Os compostos binários, tetraaquaadenosina5- trifosfato alumínio(III) e aquafosfocreatina alumínio(III), foram estudados por espectroscopia Raman e cálculos quantomecânicos. As análises dos complexos ternários, adenosina5-trifosfatodiaquacisteína aluminato(III), adenosina5-trifosfatotriaquametionina aluminato(III), aquacisteínafosfocreatina aluminato(III) e aquafosfocreatinametionina aluminato(III), envolveram ainda a potenciometria. Os cálculos computacionais usaram a teoria do funcional de densidade com o funcional híbrido (B3LYP), a base 6-311++G(d,p) e consideraram o efeito do solvente água pelo modelo de contínuo polarizável. Eles englobaram a obtenção de parâmetros geométricos, o cálculo do espectro Raman e a descrição da superfície de contorno do potencial eletrostático e do mapa do potencial eletrostático. No que tange os complexos binários, as análises ratificaram o comportamento bidentado da adenosina 5-trifosfato por um oxigênio do fosfato alfa e um oxigênio do fosfato beta. No complexo formado entre o íon alumínio e a fosfocreatina, o ligante atua como tridentado por um oxigênio do fosfato, um oxigênio do carboxilato e um nitrogênio. Os mapas do potencial eletrostático apontaram a presença de regiões neutras ao redor dos átomos e como as cargas totais das moléculas eram zero, elas devem ser solúveis em lipídios. Nos complexos ternários, os modos de coordenação da adenosina 5-trifosfato e da fosfocreatina adotados nos compostos binários se mantêm. A cisteína se comporta como bidentada por um oxigênio do carboxilato e um nitrogênio. Na espécie adenosina5-trifosfatotriaquametionina aluminato(III), a metionina atua como monodentada pelo oxigênio do carboxilato. A despeito da carga total negativa dos complexos, as moléculas não apresentam um potencial eletrostático tão negativo e possuem uma estrutura estável. Quatro outros sistemas ternários, o alumínio(III):adenosina 5-trifosfato:homocisteína, o alumínio(III):fosfocreatina:homocisteína, o alumínio(III):adenosina 5-trifosfato: penicilamina e o alumínio(III):fosfocreatina:penicilamina, foram examinados apenas por potenciometria. Ela mostrou a ocorrência de várias reações de complexação e diversos complexos são formados de acordo com o pH. Comumente, o alumínio(III) se torna insolúvel entre pH 2,5 a 5,5. Todavia, isso não ocorreu. Os resultados exibiram a variedade do comportamento dos ligantes na complexação com o íon alumínio. As pesquisas sugerem como podem estar formados alguns complexos nos organismos vivos. / [en] This thesis investigated complexation reactions between aluminum(III) and ligands such as adenosine 5-triphosphate, phosphocreatine and amino acids by potentiometry, Raman spectroscopy and theoretical calculations in aqueous solution, with the aim to know the proprieties of formed complexes. The study was important to improve the knowledge about absorption mechanisms and bioavailability of aluminum(III). This learning could help clinical researches about prevention and treatment of neurodegenerative diseases. Aluminum is present in water and in vegetables, animal products and food additives. Parenteral nutrition solutions, infant formulas and medications also contain aluminum. In fluids, di- and triphosphate nucleosides and amino acids are good ligands for aluminum(III). Low molecular mass biomolecules form complexes which increase the pH of precipitation of the metal ion and its gastrointestinal absorption. This study analyzed six complexes with aluminum ions in aqueous solution. The binary compounds tetraaquaadenosine 5-triphosphate aluminum(III) and aquaphosphocreatine aluminum(III) were studied by Raman spectroscopy and quantum mechanical calculations. The analysis of the ternary complexes adenosine5-triphosphatediaquacysteine aluminate(III), adenosine5’- triphosphatetriaquamethionine aluminate(III), aquacysteinephosphocreatine aluminate(III) and aquaphosphocreatinemethionine aluminate(III) also involved potentiometry. Computational calculations used density functional theory with the hybrid functional B3LYP and the 6-311++G(d,p) basis set regarding water solvent effects by the polarizable continuum model. They included the assessment of geometrical parameters, Raman spectrum calculations and the description of electrostatic potential contour surfaces and mapped electrostatic potential. Regarding the binary complexes, analyses confirmed the bidentate behavior of adenosine 5-triphosphate through one oxygen of the phosphate beta and one oxygen of the phosphate gamma. In the complex that formed between aluminum(III) and phosphocreatine, the ligand behaved as a tridentate, coordinated through one oxygen in the phosphate, one oxygen in the carboxylate and one nitrogen in the guanidine group. The electrostatic potential maps pointed out the presence of neutral regions around atoms and, as the total charge of these molecules was zero, they should be soluble in lipids. In the ternary complexes, the coordination modes of adenosine 5-triphosphate and phosphocreatine adopted in binary compounds remained. Cysteine behaved as a bidentate ligand through one carboxylate oxygen and nitrogen. In the adenosine5- triphosphatetriaquamethionine aluminate(III) species, methionine acted as a monodentate ligand via the carboxylate oxygen. Despite the negative net charge of the complexes, they did not exhibit a negative electrostatic potential and had stable structures. The four other ternary systems, aluminum(III):adenosine 5- triphosphate:homocysteine, aluminum(III):phosphocreatine:homocysteine, aluminum(III):adenosine 5-triphosphate:penicillamine and aluminum(III): phosphocreatine:penicillamine, were examined only by potentiometry. The results showed the occurrence of various complexation reactions, and several complexes are formed depending on the pH. Commonly, aluminum(III) becomes insoluble between pH 2.5 to 5.5. However, this did not occur. These results bring to light the multiplicity of ligand behaviors in complexation with aluminum(III). This research also suggests that some complexes may be formed in living organisms.