In this work we present a theoretical and computational study of the mechanism of ferroelectricity in multiferroic hexagonal manganite LuMnO3. Some structural and electronic properties are described in both paraelectric (PE) and ferroelectric (FE) phases. As theoretical and computation tool was employed the Full Potential Linear Augmented Plane Wave method, based on Density Functional Theory and embodied in WIEN2k computer code. The crystal structure of both PE and FE phases was optimized using two different types of exchange and correlation potentials. The local density approximation (LDA) and generalized gradient approximation (GGA). The lattice parameters from GGA calculation were obtained in better agreement with experimental than LDA result. Also, were analyzed two different GGA parameterizations: the so-called Perdew - Burke - Ernzerhof (PBE) and Wu - Cohen (WC). Comparing them, the result from GGA-PBE calculation is in better agreement with the experimental. After the structural optimization, the atomic positions were fully relaxed. In this step, was utilized the GGA with the PBE parameterization. The electronic properties were calculated from these optimized and relaxed structures and using the Tran and Blaha modified Becke-Johson potential. From these calculations were obtained an indirect band gap of 0,3 eV and a direct band gap of 1,6 eV in the PE and FE phases, respectively. The valence electronic density maps were obtained along the c axis of the phases PE and FE. It was observed when leave of the PE to the FE phase, the ionic character of Lu-O bonds was changed. By careful analysis of the calculated partial density of states, we showed that the loss of ionicity of the chemical bond is associated with the rehybridization of the 5dz2 - Lu with 2pz - O orbitals. This description corroborates with the model in which the mechanism of ferroelectricity of the hexagonal manganites is related with the rehybridization of the dz2 - Y or - Lu orbitals with 2pz - O s orbitals that are along the crystalline c axis. / No presente trabalho foi realizado um estudo teórico e computacional sobre o mecanismo da ferroeletricidade na manganita hexagonal multiferróica LuMnO3. Foram obtidas algumas das propriedades estruturais e eletrônicas desse composto nas fases paraelétrica (PE) e ferroelétrica (FE). Como ferramenta teórica e computacional foi utilizado o método de cálculo de estrutura eletrônica denominado de Full Potential Linearized Augmented Plane Wave que é baseado na Teoria do Funcional da Densidade e implementado no código computacional WIEN2k. Foi realizada a otimização dos parâmetros de rede usando duas diferentes aproximações para o potencial de troca e correlação. A aproximação da densidade local (LDA) e a do gradiente generalizado (GGA). Os parâmetros de rede obtidos com o cálculo GGA foram mais próximos do experimental do que aqueles obtidos usando a aproximação LDA. Para o cálculo usando a aproximação GGA foram testadas duas formas de parametrização: Perdew - Burke - Ernzerhof (PBE) e Wu - Cohen (WC). Nesse caso, o resultado obtido com a parametrização PBE é a que melhor se compara com o resultado experimental. Após a otimização dos parâmetros de rede, foram relaxadas as posições atômicas. Nessa etapa do cálculo, foi utilizada a aproximação GGA-PBE. Para o cálculo da estrutura eletrônica, foi usado o potencial modificado de troca de Becke-Johnson (mBJ). Com ele foi possível obter um band gap indireto de 0,3 eV na fase PE e um band gap direto de 1,6 eV na fase FE. Foram obtidos mapas de densidade eletrônica valência ao longo do eixo c cristalino das fases PE e FE. Observou-se, saindo da fase PE para a FE, que o caráter iônico da ligação Lu - O foi alterado. A análise da densidade de estados parciais mostrou que a perda da ionicidade da ligação química está associada à rehibridização dos orbitais 5dz2 do Lu com os orbitais 2pz do O. Esta descrição corrobora com o modelo em que o mecanismo da ferroeletricidade das manganitas hexagonais está associado à rehibridização dos orbitais dz2 do átomo R (Lu ou Y) com os orbitais 2pz dos átomos de oxigênio que estão ao longo do eixo cristalino c.

The present work aimed to laser sintering and physical characterization of barium titanate ceramics doped with lanthanum, Ba1-xLaxTiO3 (0.1 ≤ x ≤ 0.4) mol%, and co-doped with manganese, in order to study the PTC effect (Positive Temperature Coefficient of Resistance). In electrical and electronic equipments, materials that exhibit PTC effect are generally used in circuit protection, or as temperature sensors (thermistors), whose main advantages of thermistors are no contacts subject to corrosion, high resistance to mechanical shock, the long operating life, low cost and more stable than thermocouples. Additionally, the laser sintering process uses a CO2 laser as the main heating source. This process has been touted as a promising technology for the ceramic processing, which are subjected to extremely high heating and cooling rates (~ 2000 ° C / min). During the processes of synthesis and characterization Differential Thermal Analysis (DTA), Thermogravimetry (TG), Dilatometry, Differential Scanning Calorimetry, X-ray Diffraction, Scanning Electron Microscopy, Impedance Spectroscopy and Conductive Microscopy Atomic Force (CAFM) technique were used. Lanthanum doped barium titanate powders were produced via solid state reaction method and calcined at 1200 ° C for 4 hours. The laser sintering process was efficient to obtain ceramics with relative density of up to 95%. The sintered ceramics presented homogeny microstructure surface under the condition of Pmax = 5.5 W/mm2 for 60 seconds. The 02BT La sample showed the lowest room temperature resistivity (104 .cm). This value is roughly three orders of magnitude lower than that observed for conventionally sintered ceramic in electric furnace and with the same dopant concentration. Finally, it is clear that the sintering conditions strongly modify the PTC behavior of the like-BaTiO3 ceramics, thus allowing the fabrication of ceramic components for the thermistors manufacture with different characteristics. / O presente trabalho teve como objetivos a sinterização a laser e a caracterização físicas de cerâmicas de titanato de bário dopadas com lantânio, Ba1-xLaxTiO3 (0,1 ≤ X ≤ 0,4) mol%, e co-dopadas com manganês, visando estudar o efeito PTC (Coeficiente positivo de resistência com a elevação da temperatura). Em equipamentos eletro-eletrônicos os materiais que exibem o efeito PTC geralmente são utilizados na proteção de circuitos ou como sensores de temperatura (termistores), cujas principais vantagens dos termistores são a inexistência de contatos sujeitos à corrosão, a alta resistência a choques mecânicos, a longa vida de operação, baixo custo, e são mais estáveis que os termopares. Adicionalmente, o processo de sinterização a laser utiliza como principal fonte de calor um laser de CO2. Este processo tem sido apontado como uma técnica promissora no processamento de corpos cerâmicos, os quais são submetidos a taxas de aquecimento e resfriamento extremamente elevadas (~2000 °C/min), podendo provocar assim alterações em suas propriedades físicas. Durante os processos de síntese e caracterização fez-se uso das técnicas de Diferencial de Análise Térmica (DTA), Termogravimétria (TG), Dilatometria, Calorimétria Exploratória Diferencial, Difração de raios X, Microscopia Eletrônica de Varredura e Espectroscopia de Impedância e de Microscopia de Força Atômica em modo condutivo (CAFM). Pós de titanato de bário dopados com lantânio foram sintetizados pelo método da reação de estado sólido e calcinados a 1200 oC por 4 horas. O processo e sinterização a laser se mostrou eficiente para obtenção de cerâmicas com densidade relativa de até 95%. Foi obtida uma homogeneidade na microestrutura em toda a superfície da cerâmica, sob a condição de Pmax = 5,5 W/mm2 por 60s. A amostra 02BT:La apresentou menor valor de resistividade à temperatura ambiente, da ordem de 104 .cm. Este valor é aproximadamente três ordens de grandeza menor que o observado para a cerâmica sinterizada convencionalmente em forno elétrico e na mesma concentração de dopante. Finalmente, é possível afirmar que as condições de sinterização modificam fortemente o comportamento PTC em cerâmicas a base de BaTiO3, possibilitando dessa forma a confecção de cerâmicas para fabricação de componentes termistores com diferentes características.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Samples of Bi 2Fe4O9 mullite and ReFe 0.5M0.5O3 (Re = Nd, Sm, Eu, Gd, Dy; M = Mn, Al) complex perovskites were successfully synthesized by using the combustion synthesis method. While the mullite was obtained after thermal treatment at temperatures below 1000ºC, complex perovskites are produced after thermal treatments between 1250ºC and 1500ºC for at most 24 h. The X-ray diffraction data analysis suggests the formation of single phase orthorhombic structure, after suitable heat treatment. Scanning electron microscopy (SEM) revealed the formation of micrometric grain size, giving to the sample the relative density. EDS spectra confirmed the homogeneity and purity of complex perovskites. Magnetization measurements as a function of field and temperature showed the diversity of magnetic behavior of the samples. Among the behaviors we can highlight the reorientation of spin for ortoferritas ReFe0.5Mn0.5O3 (Re = Dy, Gd, Eu, Sm, Eu) and ReFe0.5Al0.5O3 (Re = Dy, Nd). Another interesting finding was the effect of magnetic reversal of the samples ReFe0.5Al0.5O3 (Re = Nd, Gd) and EuFe0.5Mn0.5O3. Raman spectra show anomalous bands of second order in the perovskite DyFe0.5Al0.5O3 with characteristics of resonant effects. The evolution of the band associated with the symmetric vibrational mode of the octahedron shows hardening at the temperature range of ordered magnetic phase, thus suggesting a possible spin-phonon coupling. Depolarization current measurements highlights a relaxation process due to charge carriers in the samples ReFe0.5Mn0.5O3 (Re = Dy, Gd). The application of magnetic field profoundly influences the depolarization current behavior of DyFe0.5Mn0.5O3. Dielectric permittivity measurements showed no anomalies between 10 K and 300 K, that could can be associated to a ferroelectric phase. / Amostras da mulita Bi2Fe4O9 e das perovskitas complexas ReFe0.5M0.5O3 (Re= Nd, Sm, Eu, Gd, Dy; M = Mn, Al) foram sintetizadas com sucesso utilizando o método de síntese por reação de combustão. Enquanto a mulita foi obtida após tratamento térmico com temperaturas abaixo de 1000ºC, as perovskitas complexas foram produzidas após tratamentos térmicos entre 1250ºC e 1500ºC por, no máximo, 24 h. A análise de dados de difração de raios X sugerem a formação de estruturas ortorrômbicas de fase única, após os tratamento térmico apropriado. Medidas de microscopia evidenciaram formação de grãos micrométricos conferindo às amostras relativa densidade. Os espectros EDS confirmaram a homogeneidade e pureza das perovskitas complexas. As medidas de magnetização em função do campo e da temperatura evidenciaram a diversidade de comportamentos magnéticos das amostras estudadas. Entre os comportamentos destacamos reorientação de spin para as ortoferritas ReFe0.5Mn0.5O3 (Re = Dy, Gd, Eu, Sm, Eu) e ReFe0.5Al0.5O3 (Re = Dy,Nd). Outro interessante achado foi o efeito de inversão magnética das amostras ReFe0.5Al0.5O3 (Re = Nd, Gd) e EuFe0.5Mn0.5O3. Espectros Raman demonstram bandas anômalas de segunda ordem na perovskita DyFe0.5Al0.5O3 com características de efeitos ressonantes. A evolução da banda associada ao modo vibracional simétrico do octaedro apresenta endurecimento em temperaturas na faixa da fase magnética ordenada, sugerindo assim, um possível acoplamento spin-f onon. Medidas de corrente de despolarização destaca um processo de relaxação devido aos portadores de cargas nas amostras ReFe0.5Mn0.5O3 (Re=Dy,Gd). A aplicação de campo magnético influencia profundamente o comportamento da corrente de despolarização do DyFe0.5Mn0.5O3. Medidas de permissividade dielétrica não exibiram anomalias entre 10 K e 300 K que possam a ser associadas a uma fase ferroelétrica.