Neste trabalho estudamos as propriedades estruturais e eletrônicas de defeitos e impurezas de hidrogênio em MgO. As investigações foram efetuadas através de simulações computacionais baseadas em métodos de primeiros princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade e utilizando o método FPLAPW (Full Potential - Linearized Augmented Plane Wave), implementado no código computacional WIEN2k, dentro do esquema de supercelula, com relaxações iônicas tratadas de modo apropriado. Os defeitos estudados foram as vacâncias de oxigênio e de magnésio e as impurezas de hidrogênio foram simuladas em sitos substitucionais e intersticiais da rede do MgO. Em termos de configurações iônicas, a maioria dos centros de defeito ou de impureza apresentam pequenas relaxações do tipo respiratórias, mantendo a simetria local do sito, com exceção de dois dos centros estudados. O primeiro deles é a vacância de magnésio, no estado de carga neutro, que apresenta uma pequena distorção iônica trigonal. O segundo é a impureza intersticial de hidrogênio, no estado de carga positivo, que apresenta uma grande distorção local na rede, com a impureza se deslocando na direção de um dos dois átomos de oxigênio primeiros vizinhos. Nossos resultados para as energias de formação dos defeitos e impurezas nos permitiu avaliar a estabilidade dos centros, em função dos estados de carga, e prever as posicoes energeticas, no gap do material, dos estados de transicao. Para a impureza substitucional de hidrogenio no stio do oxigenio observamos que o centro no estado de carga positivo é o mais estável para qualquer valor do nível de Fermi, indicando que a impureza substitucional de hidrogênio, no sítio do oxigênio, apresenta caráter doador e o MgO pode ser caracterizado como um material tipo-n. Estas características também foram obtidas para as impurezas intersticiais de hidrogênio, mas nestes casos elas são dependentes da posição do nível de Fermi no gap do MgO. / In this work we report the results of the structural and electronic properties of defects and hydrogen impurities in MgO. The investigations were carried by computational simulations using ab initio methods, based on the density functional theory and the FP-LAPW (Full Potential - Linearized Augmented Plane Wave) method, as implemented in the WIEN2k code, considering the supercell approach and atomic relaxations. The studies comprise the oxygen and vacancies and substitutional and interstitial hydrogen impurities. Almost all defects and impurities keeps the crystalline local symmetry, showing breath mode relaxations. The magnesium vacancy, in the neutral charge state conguration, has a very small trigonal, while one of the hydrogen interstitial impurity, in the positive charge state conguration, has a very large local distortion, where the impurity moves toward one of the oxygen next neighbour atom. We have also investigated the energetic stability of these defects, evaluating the transition states related to each defect center. We nd that the substitutional hydrogen impurity in the oxygen site, in the positive charge state conguration, is the most stable one, independent of the Fermi level energy, showing a donor behaviour. Therefore, this impurity can lead to an n-type MgO material. Those characteristics were also observed for the interstitial hydrogen impurities investigated here, but in those cases the donor behaviour are Fermi level dependent.

A termodinâmica computacional é uma ferramenta capaz de fornecer informações básicas sobre soluções e concentração de seus constituintes, em um dado sistema complexo a uma certa temperatura e pressão. Nos últimos anos, a união entre a teoria do funcional da densidade e a termodinâmica computacional tem renovado o estudo dos materiais intermetálicos ordenados, uma vez que os cálculos de estrutura eletrônica de primeiros princípios são hoje capazes de proporcionar resultados extremamente precisos para as energias de formação de compostos estequiométricos. Dentro deste contexto, investigamos os diagramas de fases dos sistemas Fe-Al, Mo- Fe, Cr-Al, Fe-Cr, Fe-Cr-Al na estrutura cúbica de corpo centrado utilizando o método Full-Potential Linear Augmented Plane Waves(FP-LAPW) aliado ao Método Variacional de Clusters(CVM) na aproximação do tetraedro irregular. Através do método FP-LAPW determinamos a energia total de configurações cristalinas dos sistemas cúbicos de corpo centrado. Esses valores são utilizados como parâmetros de entrada do CVM para a determinação do potencial termodinâmico do sistema em suas diferentes fases e os correspondentes equilíbrios entre essas fases em função da composição e da temperatura (diagrama de fases). Embora o Fe-Al tenha grande interesse tecnológico, o seu comportamento magnético é bastante complicado. A inclusão de Cr na liga de Fe-Al tem um alto interesse industrial na utilização desta ligas em altas temperaturas, mas o banco de dados referentes as caracteristicas estruturais e eletrônicas são escassos. Neste contexto de aplicações procuramos investigar as características estruturais e eletrônicas buscando correlacionar as informações experimentais com as obtidas via cálculo de estrutura eletrônica e o CVM. / Thermodynamics is a computational tool capable of providing information basics solutions and concentrations of constituents in a given complex system at a given temperature and pressure. In recent years, the union between the density functional theory and computational thermodynamics has renewed study of ordered intermetallic materials, since the electronic structure calculations from first principles are now able to provide extremely accurate results for the energies of formation of stoichiometric compounds. in this context, we investigate the phase diagrams of the systems Fe-Al, Fe- Mo, Cr-Al, Fe-Cr, Fe-Cr-Al in the body-centered cubic structure using the method Full-Potential Linear Augmented Plane Waves (FP-LAPW) ally the clusters variational method(CVM) in approximation of the tetrahedron irregular. Through the FP-LAPW method determines the total energy of the crystal with configurations body centered cubic systems. These values are used as input parameters of the CVM for the determination of the thermodynamic potential of the system in its different phases and the corresponding equilibrium between these phases as a function of composition and temperature (phase diagram). Although the Fe-Al has a great interest technology, its magnetic behavior is quite complicated. The inclusion of Cr in Fe-Al alloy has a high industrial interest in using this alloy in high temperatures, but the database regarding the structural characteristics and electronics are scarce. In this context we seek to investigate the application structural and electronic characteristics correlate the information seeking experiments with those obtained via the electronic structure calculation and the CVM.

Aquesta tesi doctoral s'emmarca dins de la Química Computacional. Usant el procediment de Primers Principis Bottom-Up, es pot relacionar les propietats magnètiques microscòpiques d'un cristall moleculars (interaccions magnètics, J) amb les macroscòpiques. Aquesta relació té lloc a partir de la definició de la topologia magnètica. Els projectes desenvolupats al llarg de la tesi han permès establir els mecanismes d'interacció magnètica de diversos cristalls moleculars, buscant així ampliar el coneixement sobre els factors que regulen el comportament magnètic, i continuar una base de dades per trobar una relació magnetoestructural que permeti el disseny racional de materials magnètics amb propietats tecnològiques desitjades. Els tres primers capítols presenten una introducció i una descripció detallada del procediment de Primers Principis Bottom-Up aixi com els fonaments teòrics necessaris. El capítol 4 està dedicat a l'estudi dels mecanismes d'interacció magnètica a través de l'espai o aquella que és assistida. S'ha estudiat la influència en la transmissió de la interacció magnètica de l'anell de piridina entre dos radicals de verdazil en el cristall de verdazil-piridil:hidroquinona. El capítol 5 es centra en l'estudi de l'efecte cooperatiu en la propagació de les interaccions magnètiques. Aquí, s'ha estudiat un gran ventall de cristalls moleculars que presenten diferents topologies magnètiques (d'1D a 3D), i s'ha investigat el canvi de la resposta magnètica. Cal remarcar que tots els resultats de l'estudi teòric del magnetisme d'aquests cristalls han estat contrastats amb dades experimentals. Així doncs, el primer compost estudiat és el cristall CUPZ(N03)2, el qual es considera un prototip de cadena antiferromagnètica, i s'intenta donar una explicació al canvi de dimensionalitat magnètica observat en experiments recents. En segon lloc, es disposa l'estudi del magnetisme del cristall [(dmpyH)2CuBr4] el qual presenta una comportament magnètic d'strong-rail spin-ladder. En aquest treball s'argumenta la necessitat d'incorporar els contraions en el càlcul de les l. Emmarcats en aquesta topologia, es mostren els resultats obtinguts en la comparació de dos cristalls anàlegs, Cu(2,3-dmpz)Ch y Cu(2,3-dmpz)Br2. Les diferències en el comportament magnètic es poden argumentar en base als resultats de l'estudi teòric. El següent apartat està dedicat a l'estudi del cristall [(5MAP)2CuBr4]. L'estudi teòric demostra un comportament com bulk antiferromagnet, corrobora la dificultat de discriminar entre topologies 2D i 3D a partir de mesures de la susceptibilitat magnètica. El quart projecte d'aquest capítol estudia compostos que presenten un comportament magnètic tridimensional. Es descriu el comportament del cristall [(5FAP) 2CuCI4], ja que experimentalment no es podia assignar correctament els valors de les interaccions magnètiques per falta de models analítics 3D. També es descriu el comportament de bulk ferromagnet del compost [p-02N-C6F6-CNSSN]. Comparant els valors de les temperatures de transició magnètica obtingudes per altres cristalls orgànics es conclou que la T(c) no només depèn de la magnitud de les J, sinó també de la topologia. Finalment, es va estudiar la importància de l'ús d'estructures cristal.lines determinades a una temperatura pròxima a la que té lloc el fenomen a estudiar. Es mostra el canvi de dimensionalitat magnètica que presenta el cristall [(dmpyH)2CuBr4] en anar dismimuïnt la temperatura. L'últim capítol té un caràcter més fonamental on s'analitza les expressions i derivacions de les propietats magnètiques macroscòpiques i es donen els primers passos per interpretar la informació continguda en la funció d'ona magnètica. Es presenten els resultats inicials de l'estudi a nivell quàntic del magnetisme en cristalls moleculars, fent una nova interpretació de les expressions i dels fenòmens magnètics que comporten. Aquest anàlisi es fa a partir de Ies dades que s'obtenen en la diagonalització de l'Hamiltonià de Heisenberg com són les energies i multiplicitats d'spin dels nivells magnètics, així com per primera vegada dels valors de la matriu de densitat d'intercanvi d'spin [Pij]. / This PhD Thesis is embedded on the Computational Chemistry field. The First Principles Bottom-Up Procedure allows us to relate the microscopic magnetic properties of molecular crystals (i.e. the magnetic interaction values with the macroscopic magnetic properties (magnetic susceptibility magnetization M or heat capacity Cp). This relationship comes from the most important step in our work procedure: the description of the magnetic topology.. First, the study of the different magnetic interaction mechanisms and its competition are studied, i.e. the direct through space mechanism vs. the assisted through molecule magnetic interaction. Then, the study of the cooperative effects of the magnetic interaction propagation will be detailed. Keeping in mind this objective, the magnetism of a big variety of real molecular magnets which present different magnetic topology (from 1D to 3D) have been investigated. This study allows us to increase the knowledge about the factors that governs the macroscopic magnetic behaviour, and able us to construct a database to find a magneto-structural relationship to make a rational design of new magnetic materials with desired properties. Finally, the derivations and expressions of the macroscopic magnetic properties have been reviewed in order to make the first step to get a physical interpretation of the information contained therein the magnetic wave function.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5160.pdf: 6005480 bytes, checksum: 6aae866e51fab054ffc455e4b0479f2f (MD5) Previous issue date: 2013-02-25 / Financiadora de Estudos e Projetos / Considering the search for miniaturization of electronic devices, the development of new methods and techniques for the production and characterization of nanostructured materials is fundamental, beyond understanding of the effect of grain size on the properties of materials in nanoscale. Therefore, it was proposed in this work the obtaining of nanostructured multiferroic materials, in bulk, with high density and microstructural control, with grains ranging from micrometer to nanometer scale. To achieve this goal, was developed a methodology for obtaining the powder of lead iron niobate, Pb(Fe1/2Nb1/2)O3 (PFN) and lead iron tungstate, Pb(Fe2/3W1/3)O3 (PFW), with average particle size around 150 nm, contamination-free, minimal agglomeration and with highly reproductive results using the micro-milling technique. Regarding consolidation materials, conventional sintering requires higher temperatures and long holding times for a satisfactory densification, resulting in a grain growth higher than the desired. Through the fast sintering technique, only high heating rates are not sufficient to ensure a satisfactory densification and also inhibit the growth of grains. The obtain nanostructured dense samples with average grain size of approximately 200 nm was only possible using spark plasma sintering technique (SPS), which allows sintering at temperatures corresponding to the intermediate sintering stage, inhibiting the grain growth. PFN and PFW samples obtained through the SPS technique showed high conductivity at room temperature due the extreme reduction suffers in the system plus the use of high current densities during sintering, being necessary the samples oxidation. Through the dielectric characterization, the decrease in grain size of micrometer to nanometer scale results in lower permittivity values in phase transition temperature, besides a peak broadening. Moreover, the SPS technique added to the oxidation process makes it possible to obtain PFW samples with high dielectric values (in order of 104) at room temperature, a motivation results with regard to the application. / Considerando a busca pela miniaturização dos dispositivos eletrônicos é fundamental o desenvolvimento de novos métodos e técnicas para a produção e caracterização de materiais nanoestruturados, além do entendimento do efeito do tamanho de grão sobre as propriedades dos materiais em escala nanométrica. Dessa forma, propôs-se neste trabalho a obtenção de materiais multiferróicos nanoestruturados, na forma de bulk com alta densidade e controle microestrutural, com grãos variando de escala micrométrica a nanométrica. Para alcançar este objetivo, foi desenvolvida uma metodologia para a obtenção de pós de niobato de ferro e chumbo, Pb(Fe1/2Nb1/2)O3 (PFN) e tungstanato de ferro e chumbo, Pb(Fe2/3W1/3)O3 (PFW), com tamanhos médios de partículas em torno de 150 nm, livre de contaminação, mínima aglomeração e com resultados altamente reprodutivos por meio da técnica de micromoagem. Em relação à consolidação dos materiais, o procedimento convencional requer altas temperaturas e longos tempos de patamar para uma densificação satisfatória, resultando em um crescimento de grão superior ao desejado. Por meio da técnica de sinterização rápida fast sintering , somente altas taxas de aquecimento não são suficientes para garantir uma densificação satisfatória bem como inibir o crescimento de grãos. A obtenção de amostras densas nanoestruturadas com tamanhos médio de grão de aproximadamente 200 nm só foi possível utilizando a técnica spark plasma sintering (SPS), que permite a sinterização a temperaturas correspondentes ao estágio intermediário de sinterização, inibindo o crescimento de grãos. As amostras de PFN e PFW obtidas por meio da técnica de SPS apresentaram alta condutividade à temperatura ambiente devido às condições extremas de redução que a amostra sofre somada ao uso de altas densidades de corrente durante a sinterização, sendo necessária a oxidação das mesmas. Através da caracterização dielétrica, verifica-se que a diminuição nos tamanhos de grãos de escala micrométrica para nanométrica resulta em menores valores de permissividade na temperatura de transição de fase, além de um alargamento dos picos. Contudo, a técnica de sinterização SPS somada ao processo de oxidação torna possível a obtenção de amostras de PFW com altos valores de constate dielétrica (na ordem de 104), a temperatura ambiente, resultado extremamente motivador no que diz respeito à aplicação.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3834.pdf: 2869870 bytes, checksum: cda4c3f94950b35242f2e16dff60bd42 (MD5) Previous issue date: 2011-08-09 / Universidade Federal de Sao Carlos / The nanoscopic structures with ring topology, or quantum rings, have attracted the interest due to their unique rotational symmetry and the possibility of checking fundamental quantum phenomena. Among them, the study of Aharonov-Bohm interference effects appears with special emphasis. Analytical calculations of the electronic structure of quantum rings were performed for the electron confined in one-dimensional and threedimensional potentials. These calculations were complemented by the electronic structure simulation of the valence band using the k.p method, main objective this work. This theoretical contribution is a part of a collaboration with experimental groups of growth and spectroscopy which deal with problems related to the manipulation of electronic states and spin properties of quantum rings. The ground states of both electrons and holes in quantum dots (quasi-zero-dimensional systems) have zero angular momentum (in the absence of magnetic fields and low fields) and exhibit a diamagnetic response of the spin states in the presence of an external magnetic field. In non-magnetic quantum dots, the spin properties are mainly attributed to the electron spin and the heavy hole. On the other hand, it is assumed that the light holes have a minor role in the properties of the exciton ground state. Our results show that the interband coupling may lead to the angular momentum hybridization of the electronic states, even in the ground state and the the light hole may assume a relevant role. The adaptation and improvement of calculations of the electronic structure using the k.p methods were two of the main objectives of this work. The theoretical tools developed aim to contribute to the establishment of protocols for optimal use and application of such systems. / As estruturas nanoscópicas de topologia anelar, ou anéis quânticos, têm atraído o interesse devido a sua simetria rotacional única e à possibilidade de verificar fenômenos quânticos fundamentais. Dentre eles, o estudo de efeitos relacionados à interferência do tipo Aharonov-Bohm aparece com especial ênfase. Cálculos analíticos da estrutura eletrônica dos anéis quânticos foram realizados para os casos de um elétron confinado em um potencial unidimensional e tridimensional. Estes cálculos foram complementados com a simulação da estrutura eletrônica da banda de valência utilizando o método k.p, que é o objetivo principal do trabalho. Esta contribuição teórica forma parte de uma colaboração com grupos experimentais de crescimento e de espectroscopia onde são tratados problemas relacionados à manipulação de estados eletrônicos e de spin em sistemas quase-zero dimensionais de topologia anelar. O estado fundamental do elétron e do buraco em pontos quânticos (sistemas quase-zero-dimensionais) possui tipicamente momento angular zero (na ausência de campos magnéticos e para campos suficientemente baixos) e exibe uma resposta diamagnética dos estados desdobrados de spin uma vez que um campo magnético externo é aplicado. Nos pontos quânticos não magnéticos as propriedades de spin são fundamentalmente atribuídas aos elétrons e ao buraco pesado. Em contrapartida, se assume que os buracos leves possuem um papel menor nas propriedades do estado fundamental do éxciton. Nossos resultados mostram que o acoplamento entre bandas pode gerar estados com hibridização do momento angular, inclusive o estado fundamental e o papel do buraco leve acaba sendo relevante. A adaptação e melhoramento do cálculo da estrutura eletrônica utilizando métodos k.p foram dois dos objetivos fundamentais deste trabalho. As ferramentas teóricas desenvolvidas visam contribuir para o estabelecimento de protocolos para o uso e aplicação otimizada de tais sistemas.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:35:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1135209 bytes, checksum: 81b23e6d1a4f8748158a992000fadff7 (MD5) Previous issue date: 2014-11-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation is the study of materials called spin ice, the among several properties they exhibit magnetic excitations that behave like magnetic monopoles. However, these monopolesalways come in pairs and having a binding energy (string) between them that prevents their division. In this paper we proposed a new geometry in order to examine the possibility of separation of such pairs, this geometry is built on the basis of increasing frustration among the entities of the system. We also studied the thermodynamic properties of the system as well as energy, magnetization, magnetic susceptibility and specific heat. These quantities were calculated for different network sizes and under two boundary conditions, one open and one closed. For the calculation of these quantities the Monte Carlo methods (Metropolis algorithm) and Sum of Ewald were used. Some of the results obtained were the emergence of vortex as ground state of the system with open boundary conditions, the dependence of the energy of the ground state with the network size and distinction between phases, one ordered and one disordered. / Esta dissertação Consiste no estudo de materiais denominados gelos de spin, os quais en- tre Várias propriedades exibem excitações magnéticas que se Comportam Como monopo- los magnéticos. Porém, estes monópolos surgem sempre aos pares e Com uma energia de ligação (string) entre eles que impedem sua separaçãa Neste trabalho foi proposta uma nova geometria Com intuito de analisar a possibilidade de separação entre tais pares, esta geometria é Construída tomando Como base 0 aumento da frustação entre os entes do sistema. Além disso, foram estudadas as propriedades termodinâmicas do sisterna bem Comoz energia, magnetização, susceptibilidade magnética e Calor especíñco. Estas grandezas foram Calculadas em tamanhos de rede distintos e sob duas Condições de Con- torno, uma aberta e Outra fechada. Para 0 Cálculo destas grandezas foram utilizados os métodos de Monte Carlo (algoritmo de Metropolis) e sorna de Ewald Alguns dos re- sultados Obtidos foram 0 aparecimento de um Vórtice Como estado fundamental da rede Com Condições de Contorno aberta, a dependência da energia do estado fundamental Com 0 tamanho da rede e distinção entre fases, uma ordenada e Outra desordenada.

Nanofios são estruturas em forma de fio com diâmetros da ordem de nanômetros. Estas estruturas têm sido bastante estudadas ultimamente, pois prometem aplicações tecnológicas na área de eletrônica e sensores. Neste trabalho, foram estudados nanofios finos de oxido de magnésio (MgO) com diâmetros de até 2 nm, utilizando cálculos ab-initio baseados na Teoria do Funcional da Densidade com uma base de ondas planas. No total foram estudados 12 fios, com diferentes tamanhos e formas. Entre os resultados obtidos, leis de escala são propostas para relacionar as propriedades dos nanofios com o inverso de seus perímetros. Além disso, verificamos que o módulo de elasticidade (ou módulo de Young) dos nanofios é muito maior que o do material sólido. Também construímos um modelo que relaciona a estabilidade dos nanofios com o número de vizinhos de cada átomo. / Nanowires are structures in the shape of wires with diameters on the order of nanometers. These structures have been widely studied recently, as they are promising candidates for technological applications in electronic components and sensors. In this work, we have studied very thin magnesium oxide (MgO) nanowires with diameters below 2 nm through Density Functional Theory-based ab-initio calculations with a plane wave basis set. A total of 12 nanowires of different sizes and shapes was studied. Among the obtained results, we have described scaling laws that relate the nanowire properties to the inverse of the wire perimeter. Moreover, we have found that the nanowires elasticity modulus (or Young modulus) is much larger than that of the solid material. We have also built a model that relates the stability of these nanowires to the number of neighbors of each atom.

A termodinâmica computacional é uma ferramenta capaz de fornecer informações básicas sobre soluções e concentração de seus constituintes, em um dado sistema complexo a uma certa temperatura e pressão. Nos últimos anos, a união entre a teoria do funcional da densidade e a termodinâmica computacional tem renovado o estudo dos materiais intermetálicos ordenados, uma vez que os cálculos de estrutura eletrônica de primeiros princípios são hoje capazes de proporcionar resultados extremamente precisos para as energias de formação de compostos estequiométricos. Dentro deste contexto, investigamos os diagramas de fases dos sistemas Fe-Al, Mo- Fe, Cr-Al, Fe-Cr, Fe-Cr-Al na estrutura cúbica de corpo centrado utilizando o método Full-Potential Linear Augmented Plane Waves(FP-LAPW) aliado ao Método Variacional de Clusters(CVM) na aproximação do tetraedro irregular. Através do método FP-LAPW determinamos a energia total de configurações cristalinas dos sistemas cúbicos de corpo centrado. Esses valores são utilizados como parâmetros de entrada do CVM para a determinação do potencial termodinâmico do sistema em suas diferentes fases e os correspondentes equilíbrios entre essas fases em função da composição e da temperatura (diagrama de fases). Embora o Fe-Al tenha grande interesse tecnológico, o seu comportamento magnético é bastante complicado. A inclusão de Cr na liga de Fe-Al tem um alto interesse industrial na utilização desta ligas em altas temperaturas, mas o banco de dados referentes as caracteristicas estruturais e eletrônicas são escassos. Neste contexto de aplicações procuramos investigar as características estruturais e eletrônicas buscando correlacionar as informações experimentais com as obtidas via cálculo de estrutura eletrônica e o CVM. / Thermodynamics is a computational tool capable of providing information basics solutions and concentrations of constituents in a given complex system at a given temperature and pressure. In recent years, the union between the density functional theory and computational thermodynamics has renewed study of ordered intermetallic materials, since the electronic structure calculations from first principles are now able to provide extremely accurate results for the energies of formation of stoichiometric compounds. in this context, we investigate the phase diagrams of the systems Fe-Al, Fe- Mo, Cr-Al, Fe-Cr, Fe-Cr-Al in the body-centered cubic structure using the method Full-Potential Linear Augmented Plane Waves (FP-LAPW) ally the clusters variational method(CVM) in approximation of the tetrahedron irregular. Through the FP-LAPW method determines the total energy of the crystal with configurations body centered cubic systems. These values are used as input parameters of the CVM for the determination of the thermodynamic potential of the system in its different phases and the corresponding equilibrium between these phases as a function of composition and temperature (phase diagram). Although the Fe-Al has a great interest technology, its magnetic behavior is quite complicated. The inclusion of Cr in Fe-Al alloy has a high industrial interest in using this alloy in high temperatures, but the database regarding the structural characteristics and electronics are scarce. In this context we seek to investigate the application structural and electronic characteristics correlate the information seeking experiments with those obtained via the electronic structure calculation and the CVM.

O objetivo do presente projeto é a combinação de abordagens experimentais e teóricas para o desenvolvimento de bancos de dados termodinâmicos, visando o modelamento de aços e ligas de alto desempenho. Entre esses materiais estão as superligas fundidas por centrifugação para aplicações em fornos de reforma e pirólise, bem como aços-ferramenta reforçados por fases intermetálicas. Os métodos teóricos mencionados correspondem à combinação de cálculos de estrutura eletrônica e modelamento termodinâmico em temperaturas finitas, através do protocolo Calphad. Esta metodologia vem sendo aplicada com sucesso por vários grupos de pesquisa brasileiros e internacionais. Utilizando-nos de dados experimentais para o sistema Fe-Cr-Mo-C, obtidos recentemente em nosso laboratório, e cálculos de primeiros princípios para o sistema Ni-Nb-Si, aliados a outros resultados experimentais da literatura, aperfeiçoamos os bancos de dados termodinâmicos existentes para estes dois sistemas, minimizando as inconsistências quanto às evidências experimentais em relação aos campos de estabilidade e equilíbrio entre fases. No sistema Fe-Cr-Mo-C, utilizamo-nos de dados experimentais para uma reotimização da descrição termodinâmica. Adotamos novas descrições para os binários Cr-Fe, C-Cr e C-Fe, com novos modelos para as fases cementita no sistema C-Fe e sigma no sistema Cr-Fe. Com essas alterações, fomos levados a reavaliar todas as descrições dos ternários, reotimizando-os quando necessário (C-Cr-Fe) ou apenas revalidando os modelamentos pré-existentes (C-Cr-Mo). Por fim, reotimizamos o quaternário como um todo, chegando a resultados satisfatórios quando comparados a resultados experimentais. As propriedades termodinâmicas do sistema Nb-Ni-Si são pouquíssimo conhecidas. Por este motivo, não há dados suficientes na literatura para realizar um assessment completo deste sistema. Por isto, decidimos realizar cálculos de primeiros princípios de estrutura eletrônica, para a determinação de energias de formação dos compostos ternários presentes neste sistema. Os sistemas binários Nb-Ni, Nb-Si e Ni-Si, por outro lado, são bem conhecidos, cada um deles contando com diversas descrições termodinâmicas publicadas ao longo dos últimos anos. Por esta razão, adotamos as mais recentes descrições termodinâmicas dos binários como ponto de partida para o modelamento do sistema ternário. O resultado do modelamento, quando comparado aos poucos dados experimentais disponíveis, é bastante satisfatório. / The aim of this project is the combination of advanced experimental and theoretical approaches for the development of thermodynamic databases dedicated to modelling steels and high performance alloys. Examples of materials are centrifugally-cast superalloys designed for use in reforming and pyrolisis furnaces, as well as intermetallic-reinforced tool steels. The theoretical methods are the combination of electronic structure calculations and thermodynamic modeling at finite temperatures using the CALPHAD method. This methodology has been used by different scientific groups, both in Brazil and around the world. Using experimental data in the Fe-Cr-Mo-C sytem, recently determined in our laboratory, and first principles calculations in the Nb-Ni-Si system, together with other experimental results from the literature, we improved the existing thermodynamic databases for these two systems, minimizing discrepancies regarding the experimental evidence about phase stability fields and phase equilibria. In the Fe-Cr-Mo-C system, we employed experimental data for a reoptimization of the thermodynamic description. We adopted new descriptions for the binary Cr-Fe, C-Cr, and C-Fe systems, with new models for cementite in the C-Fe system, and sigma in the Cr-Fe system. Because of these alterations, a reevaluation of the ternary descriptions was necessary, reassessing them when required (C-Cr-Fe) or just revalidating existing models (C-Cr-Mo). After that, we re-optimized the quaternary system, arriving at satisfactory results, in comparison with experimental data. The thermodynamic properties of the Ni-Nb-Si system is almost completely unknown. For that reason, there are not enough data in the literature to perform a complete assessment of the system. With that in mind, we decided to perform first-principles electronic structure calculations, in order to determine the formation energies of the ternary compounds. The binary systems, on the other hand, are very well-known, each one of them with several published thermodynamic assessments during the last few years. For this reason, we adopted the most recent thermodynamic descriptions of the binaries as a starting point for the modelling of the ternary system. The result of the modelling is very satisfactory, in comparison with the few experimental information available.

Nanopartículas magnéticas têm importância para diversas áreas do conhecimento incluindo física, química e biologia. A obtenção de nanomateriais com características e formas definidas é um grande desafio para esta área. Neste trabalho, realizou-se dois processos de síntese em micelas reversas (MRs) e acopladas ao processo sol-gel e diversos métodos de caracterização de nanopartículas de óxidos de ferro. A utilização de micelas reversas como nanoreatores foi empregada com o intuito de se obter nanopartículas com tamanho e distribuição controladas. Caracterizamos as soluções micelares com a técnica de Espalhamento de Raios X a Baixos Ângulos (SAXS) das partículas em suspensão e analisamos as nanopartículas do interior das MR após alguns passos de purificação, por termogravimetria, calorimetria de varredura diferencial e análise elementar. Além disso, as propriedades estruturais e morfológicas foram caracterizadas por Difração de Raios X (XRD) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM). Suas propriedades magnéticas também foram investigadas usando as técnicas de magnetização (VSM e SQUID) e espectroscopia Mössbauer. As nanopartículas apresentaram tamanhos da ordem de 2 a 4 nanômetros, com pouca cristalinidade e impurezas decorrentes principalmente do surfactante. A estrutura cristalográfica indica que as nanopartículas são de ferridrita. Após tratamento térmico as propriedades destes materiais foram investigadas por XRD, TEM, espectroscopia Mössbauer e VSM. Uma transição de ferridrita para magnetita foi caracterizada com aquecimento. Na segunda parte do trabalho, realizamos várias rotas de síntese de nanopartículas de óxido de ferro por co-precipitação em meio metanólico, com o intuito de determinarmos a condição mais favorável para se criar um recobrimento de sílica na superfície da nanopartícula usando o processo sol-gel. A proporção de 25% metanol:base resultou na condição mais favorável para fazermos o recobrimento das nanopartículas com SiO2 através de reação com tetraetilortosilicato (TEOS). A quantidade de TEOS foi variada na razão em volume de Si em relação ao Fe, seguindo as seguintes proporções 10, 20, 30, 50 e 70%. As caracterizações estruturais, morfológicas e magnética das nanopartículas foram feitas por XRD, espectroscopia de Transformada de Fourier por Infra-Vermelho (FTIR), TEM, espectroscopia de imagem eletrônica (ESI), espectroscopia Mössbauer e medidas de magnetização (VSM), à temperatura ambiente. As partículas com menor concentração de sílica apresentaram cristalinidade com tamanho médio de ~17nm. Além disso, as propriedades magnéticas foram preservadas após o recobrimento, de tal forma que seu comportamento superparamagnético foi ainda observado, com uma redução da magnetização de saturação. A análise do FTIR sugere uma ligação da sílica nas partículas magnéticas, enquanto que as imagens de ESI sugerem que as nanopartículas de óxido de ferro funcionam como moldes para a ligação da sílica. / Magnetic nanoparticles have importance in several areas of knowledge including physics, chemistry and biology. Obtaining nanomaterials with well defined characteristic and shapes is a great challenge for this area of research. In this work two synthetic processes for the synthesis of the magnetic nanoparticles were developed, in reversed micelles and sol-gel chemistry. Reverse micelles were used as nanoreactors with the goal of obtaining nanoparticles with controlled size and distribution. We characterized the nanoparticles in micelle solutions with small angle X-Ray scattering (SAXS) and analyzed the nanoparticles extracted from the reverse micelles after some purification steps using thermogravimetry (TG), differential scanning calorimetry (DSC), microanalysis (CHN). The structural and morphological properties were characterized by using X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). The magnetic properties were also investigated by using magnetization techniques (VSM and SQUID) and Mössbauer spectroscopy. The nanoparticles presented sizes ranging from 2 to 4 nanometers, with small cristallinity and impurities due to the presence of surfactants. The nanoparticles were characterized to be ferrihydrite. After heat treatment the properties of these materials were also investigated by XRD, TEM, Mössbauer spectroscopy and VSM. A transition from ferrihydrite to magnetite was characterized. In the second part of the work, we realized several synthetic co-precipitation routes of iron oxides in methanolic media, with the goal of determining the most favorable condition to create a layer of silica into the iron-oxide particle, by using the sol-gel process. The proportion of 25% methanol:base resulted in the most favorable condition to do the recovery of the nanoparticles with SiO2, by the reaction with tetraethylorthosilicate (TEOS). The TEOS amount was varied in the Si to Fe ratio, following the proportions 10, 20, 30, 50 e 70%. The structural characterization of the nanoparticles was done by X-ray diffraction, Fourier Transform Infra-Red spectroscopy (FTIR), transmission electron microscopy with energy filter, electronic imaging spectroscopy (ESI), Mössbauer spectroscopy, magnetization measurements (VSM) at room temperature. The particles with smaller concentration of silica presented cristallinity with average sizes of ~17nm. Also, the magnetic properties were preserved after the covering, and its superparamagnetic behavior was still observed with a reduction of the magnetization saturation. The FTIR analysis show the binding of the silica to the magnetic particles and the ESI images suggest that the iron oxide nanoparticles work as templates for the binding of silica.