Submitted by Ranilson Angelo da Silva null (ranilsonangelo@yahoo.com.br) on 2016-10-03T13:42:06Z No. of bitstreams: 1 Tese Doutorado_Ranilson_Final.pdf: 16582757 bytes, checksum: de5b3924045b0020ea737e76aa06ee18 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-10-05T19:07:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 silva_ra_dr_araiq.pdf: 16582757 bytes, checksum: de5b3924045b0020ea737e76aa06ee18 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-05T19:07:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 silva_ra_dr_araiq.pdf: 16582757 bytes, checksum: de5b3924045b0020ea737e76aa06ee18 (MD5) Previous issue date: 2016-06-29 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / A eficiência dos materiais semicondutores óxidos metálicos utilizados em dispositivos sensores, depende fortemente de parâmetros morfológicos e estruturais. É de grande interesse que os materiais apresentem um elevado grau nos parâmetros de medidas que definem um bom sensor, como: sinal, sensibilidade, seletividade. Devido a isso, métodos de sínteses adequados têm grande influência no desempenho dos dispositivos, já que interferem diretamente na morfologia e estrutura dos materiais semicondutores. Através dessa perspectiva, nesse trabalho, morfologias do composto semicondutor óxido metálico ZnO foram superficialmente modificadas com o intuito de realizar melhorias para aplicações em sensores de gás e de radiação luminosa (fotocondução) na faixa do ultravioleta. Dois métodos de sínteses foram utilizados: i) evaporação térmica por redução carbotérmica e ii) hidrotermal assistido por micro-ondas, responsáveis por obter morfologias tipo tetrapés e estrelas multipontas, respectivamente. Processos de evaporação térmica por redução carbotérmica tem a grande vantagem de obter estruturas com morfologias unidimensionais, em contrapartida, o método hidrotermal assistido por micro-ondas pode sintetizar uma enorme gama de diferentes morfologias com a vantagem de ser um processo rápido e de baixos custos energéticos. Técnicas como microscopia eletrônica de varredura, microscopia eletrônica de transmissão, difração de raios-X, espectroscopia ultravioleta visível e infravermelho, foram utilizadas para caracterizar o material em seu aspecto morfológico e estrutural. Análises em gases como NO2, CO e H2, e da radiação eletromagnética na região ultravioleta, foram realizadas com a finalidade de se obter parâmetros relevantes como, sinal do sensor (para aplicação em sensor de gás) e responsividade (para aplicação em fotocondução), e verificar a performance do ZnO puro e decorado nesses dois seguimentos de aplicação. Através dos resultados e possível observar que houve boa uniformidade das partículas metálicas aderidas à superfície do ZnO. Com relação as respostas do sensor de gás para os materiais puros e decorados houve um aumento do sinal para decoração com Ag na presença do gás H2. Na presença do gás NO2 o material puro obteve um maior sinal, para ambas morfologias. Já para o gás CO, somente é observado uma resposta do sensor para as estrelas multipontas decoradas com platina. A responsividade das amostras de tetrapés foram elevadas em comparação as amostras de estrelas multipontas com valor da ordem de 0,8 A/W. Os resultados obtidos são de fundamental importância para contribuição científica e levanta margem para um foco ainda mais profundo para o desenvolvimento de dispositivos sensores de alto desempenho. / Efficiency of the metal oxide semiconductor materials used in sensor devices, relies heavily on morphological and structural parameters. Is of great interest that the materials have a high degree in the measurement parameters that define a good sensor, such as signal sensitivity, selectivity. Methods suitable synthesis have great influence on the performance of the devices, since they directly affect the morphology and structure of the semiconductor materials. Therefore, in this work, morphologies of the compound semiconductor metal oxide ZnO were surface modified in order to make improvements for applications in gas sensors and light radiation (photoconduction) in the ultraviolet range. Two methods of synthesis were used: i) thermal evaporation by carbothermal reduction and ii) hydrothermal assisted by microwave, responsible for obtaining morphologies type tetrapods and stars multi-point, respectively. Thermal evaporation processes by reduction carbothermic, has the great advantage of obtaining structures with one-dimensional morphology, however, the hydrothermal method assisted by microwave can synthesize a wide range of different morphologies with the advantage of being a quick process and lower costs energy. Techniques such as scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction, ultraviolet–visible spectroscopy and infrared, were used to characterize the material in its morphological and structural aspect. Analysis of gases such as NO2, CO and H2, and electromagnetic radiation in the ultraviolet region were performed in order to obtain relevant parameters as sensor signal (for use in gas sensor) and responsivity (for use in photoconduction) and check the performance of ZnO and decorated ZnO, in these two application segments. From the results it is observed that there was good uniformity of metal particles adhered to the surface of ZnO. In relation the responses of the gas sensor for pure and decorated material, there was an increase signal for decoration with Ag in the presence of H2 gas. In the presence of NO2 gas, there was a higher signal to both morphologies of pure ZnO. For CO gas, a response to the multi-point stars decorated with platinum is observed. The responsivity of the tripods samples was high compared with multi-point stars, with value of the order of 0.8 A / W. The results are of fundamental importance for scientific contribution and raises margin for an even deeper focus to developing high-performance sensor devices.

Ingeniero Civil Electricista / Actualmente, los fotodetectores más veloces usados en el ámbito comercial son los fotodiodos P-I-N. Estos fotodiodos son capaces de alcanzar anchos de banda cercano a los 300 GHz. Una de sus principales limitaciones para alcanzar mayores amplitudes, es que tanto electrones como huecos contribuyen a la conducción eléctrica. Estos últimos, los huecos, por tener una masa efectiva mucho mayor que la de los electrones, limitan la respuesta en frecuencia del fotodiodo P-I-N, disminuyendo la velocidad de respuesta y por ende el ancho de banda. El Laboratorio de Fotónica de Tera-Hertz de la Universidad de Chile, en conjunto con el Departamento de Nanotecnología de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia), está desarrollando un nuevo prototipo de fotodiodo denominado TW-UTC-PD (Traveling-Wave Uni-Traveling Carrier Photodiode). Este tipo de fotodetector se encuentra en su etapa preliminar, por lo cual, se requiere de simulaciones para optimizar su diseño y desempeño. Dentro de este contexto, esta memoria está enfocada en desarrollar un modelo fenomenológico y analítico aproximado del dispositivo, simularlo en Wolfram MathematicasR y comparar los resultados con los modelos numéricos que se estás simulando en el estado del arte. De modo de estudiar el alcance del modelo en dos dimensiones (2D), para luego ser comparado con otros modelos numéricos en 3D que están siendo desarrollados. En la modelación del fotodetector se considera el comportamiento de UTC (Uni-Traveling Carrier) en su dimensión vertical, descrito según las ecuaciones de Drift-Diffusion, y en su dimensión longitudinal, el comportamiento de la señal es modelado como una onda viajera (Traveling-Wave) en una línea de transmisión. Ambos modelos convergen en una solución que busca eliminar los efectos capacitivos y de movilidad de sus predecesores convencionales. La incidencia del haz que estimula la generación de este fenómeno, puede ser producida mediante dos tipos de iluminación, una es a través de fibra óptica, o también conocida como edge-couple, y la otra con iluminación vertical. En este trabajo se modela con iluminación por fibra óptica, sin desmedro de que la técnica utilizada por el Laboratorio de Fotónica de la Universidad de Chile sea la iluminación vertical Por lo tanto, este trabajo se enfoca en estudiar el comportamiento del dispositivo en su región activa, o también llamada capa de absorción, comparándolo con el estado del arte en dispositivos de similares características. Se busca también, modelar el ancho de banda, la eficiencia y la potencia de salida del fotodiodo para converger en una herramienta de simulación y optimización del UTC-TW PD.

Neste trabalho, os cristais de TlBr foram crescidos pelo método de Bridgman, a partir de materiais purificados pela técnica de fusão zonal. A eficiência da purificação e avaliação da superfície cristalina em relação ao desempenho como detectores de radiação foi observada. Bons resultados foram obtidos com os aprimoramentos realizados nos processos de purificação, crescimento de cristais e na fabricação dos detectores. A resposta à radiação foi verificada excitando os detectores com fontes de raios gama: 241Am (59 keV), 133Ba (80 e 355 keV), 57Co (122 keV), 22Na (511 keV) e 137Cs (662 keV) à temperatura ambiente. Os valores de resolução em energia mais satisfatórios encontrados nesse trabalho foram a partir de detectores mais puros. Os melhores valores de resolução em energia obtidos foram de 10keV (16%), 12keV (15%), 12keV (10%), 28 keV (8%), 31keV (6%) e 36keV (5%) para as energias de 59, 80, 122, 355, 511 e 662 keV, respectivamente. Também foi realizado um estudo da resposta à detecção a uma temperatura de -20ºC e da estabilidade desses detectores. Nos detectores desenvolvidos não houve diferença significativa na resolução tanto em temperatura ambiente quanto na reduzida. Em relação à estabilidade foi observada uma degradação das características espectrométricas sob operação contínua do detector a temperatura ambiente e esta instabilidade variou para cada detector. Ambas características também foram observadas por outros autores. A viabilidade de utilização do cristal de TlBr como fotodetector para acoplamento em cintiladores também foi estudada neste trabalho. TlBr é um material promissor para ser utilizado como fotodetector devido a sua adequada eficiência quântica na região de 350 a aproximadamente 500 nm. Como uma aplicação para este trabalho foram iniciados estudos para fabricação de sondas cirúrgicas utilizando cristais de TlBr como o meio detector. / In this work, TlBr crystals were grown by the Bridgman method from zone melted materials. The influence of the purification efficiency and the crystalline surface quality on the crystal were studied, evaluating its performance as a radiation detector. Due to significant improvement in the purification and crystals growth, good results have been obtained for the developed detectors. The spectrometric performance of the TlBr detector was evaluated by 241Am (59 keV), 133Ba (80 e 355 keV), 57Co (122 keV), 22Na (511 keV) and 137Cs (662 keV) at room temperature. The best energy resolution results were obtained from purer detectors. Energy resolutions of 10keV (16%), 12keV (15%), 12keV (10%), 28keV (8%), 31keV (6%) and 36keV (5%) to 59, 80, 122, 355, 511 and 662 keV energies, respectively, were obtained. A study on the detection response at -20ºC was also carried out, as well as the detector stability in function of the time. No significant difference was observed in the energy resolution between measurements at both temperatures. It was observed that the detector instability causes degradation of the spectroscopic characteristics during measurements at room temperature and the instability varies for each detector. This behavior was also verified by other authors. The viability to use the developed TlBr crystal as a photodetector coupled to scintillators crystals was also studied in this work. Due to its quantum efficiency in the region from 350 to 500 nm, TlBr shows to be a promising material to be used as a photodetector. As a possible application of this work, the development of a surgical probe has been initiated using the developed TlBr crystal as the radiation detector of the probe.

Neste trabalho, os cristais de TlBr foram crescidos pelo método de Bridgman, a partir de materiais purificados pela técnica de fusão zonal. A eficiência da purificação e avaliação da superfície cristalina em relação ao desempenho como detectores de radiação foi observada. Bons resultados foram obtidos com os aprimoramentos realizados nos processos de purificação, crescimento de cristais e na fabricação dos detectores. A resposta à radiação foi verificada excitando os detectores com fontes de raios gama: 241Am (59 keV), 133Ba (80 e 355 keV), 57Co (122 keV), 22Na (511 keV) e 137Cs (662 keV) à temperatura ambiente. Os valores de resolução em energia mais satisfatórios encontrados nesse trabalho foram a partir de detectores mais puros. Os melhores valores de resolução em energia obtidos foram de 10keV (16%), 12keV (15%), 12keV (10%), 28 keV (8%), 31keV (6%) e 36keV (5%) para as energias de 59, 80, 122, 355, 511 e 662 keV, respectivamente. Também foi realizado um estudo da resposta à detecção a uma temperatura de -20ºC e da estabilidade desses detectores. Nos detectores desenvolvidos não houve diferença significativa na resolução tanto em temperatura ambiente quanto na reduzida. Em relação à estabilidade foi observada uma degradação das características espectrométricas sob operação contínua do detector a temperatura ambiente e esta instabilidade variou para cada detector. Ambas características também foram observadas por outros autores. A viabilidade de utilização do cristal de TlBr como fotodetector para acoplamento em cintiladores também foi estudada neste trabalho. TlBr é um material promissor para ser utilizado como fotodetector devido a sua adequada eficiência quântica na região de 350 a aproximadamente 500 nm. Como uma aplicação para este trabalho foram iniciados estudos para fabricação de sondas cirúrgicas utilizando cristais de TlBr como o meio detector. / In this work, TlBr crystals were grown by the Bridgman method from zone melted materials. The influence of the purification efficiency and the crystalline surface quality on the crystal were studied, evaluating its performance as a radiation detector. Due to significant improvement in the purification and crystals growth, good results have been obtained for the developed detectors. The spectrometric performance of the TlBr detector was evaluated by 241Am (59 keV), 133Ba (80 e 355 keV), 57Co (122 keV), 22Na (511 keV) and 137Cs (662 keV) at room temperature. The best energy resolution results were obtained from purer detectors. Energy resolutions of 10keV (16%), 12keV (15%), 12keV (10%), 28keV (8%), 31keV (6%) and 36keV (5%) to 59, 80, 122, 355, 511 and 662 keV energies, respectively, were obtained. A study on the detection response at -20ºC was also carried out, as well as the detector stability in function of the time. No significant difference was observed in the energy resolution between measurements at both temperatures. It was observed that the detector instability causes degradation of the spectroscopic characteristics during measurements at room temperature and the instability varies for each detector. This behavior was also verified by other authors. The viability to use the developed TlBr crystal as a photodetector coupled to scintillators crystals was also studied in this work. Due to its quantum efficiency in the region from 350 to 500 nm, TlBr shows to be a promising material to be used as a photodetector. As a possible application of this work, the development of a surgical probe has been initiated using the developed TlBr crystal as the radiation detector of the probe.

Os sistemas de comunicação óptica por espaço livre, comumente denominados sistemas FSO (Free Space Optics), servem para estabelecer enlaces de comunicação do tipo wireless, ponto-a-ponto, a uma elevada taxa de dados e com alcances que podem variar de algumas centenas de metros a alguns quilômetros. O interesse pela tecnologia FSO tem sido estimulado pela necessidade de se fornecer soluções complementares às tradicionais (e.g. fibra óptica e RF) visando a atender à crescente demanda por conexões de banda larga. Algumas de suas aplicações mais importantes são a conexão de redes locais de computadores, a conexão de estações rádio base de telefonia móvel às centrais e o acesso de última milha. Embora a tecnologia FSO venha sendo empregada em pequena escala no Brasil, vislumbra-se o potencial de maior aplicação desta tecnologia em um futuro próximo, razão pela qual se propõe este estudo, focado no projeto de sistemas FSO. A principal contribuição deste trabalho é demonstrar uma possível solução para a realização de um enlace óptico operando em espaço livre, destinado a conectar duas redes locais de computadores Ethernet Rápida (100 Mbps). As seguintes atividades foram desenvolvidas: estudo das questões mais relevantes pertinentes ao projeto de sistemas FSO; projeto, construção e caracterização eletro-óptica de circuitos; montagem e demonstração do funcionamento de uma versão de testes do sistema, realizadas em laboratório; estudo de características associadas à transferência de radiação óptica de transmissor para receptor, envolvendo o balanço de potência para estimativa do alcance do enlace, sob condições atmosféricas ideais. Como resultado, obtivemos um sistema de comunicação do tipo full-duplex, operando no comprimento de onda de 850 nm em formato de modulação OOK, a uma taxa de dados efetiva de 125 Mbps. Com base na experiência obtida, melhoras ao sistema são sugeridas no final do trabalho. / Free space optical communication systems (FSO systems) provide wireless, point-to-point communication links at high data rates, at maximum distances ranging from hundreds of meters to several kilometers. The growing interest in FSO technology arises from the necessity of providing complementary and alternative solutions to those already adopted (eg. fiber optics and RF), aiming to satisfy the increasing demand for broadband connections. Some of its most important applications are connecting local area networks (LANs), backhauling wireless networks and providing last mile access. Although today FSO is not widely adopted in Brazil, the technology has the potential for being adopted in a greater scale in the near future, which is the reason we propose a study focused on issues related to the design of FSO systems. This work\'s main contribution is to demonstrate a possible solution for the construction of a FSO system intended to connect two Fast Ethernet LANs (100 Mbps). For this purpose, the following activities were developed: study of the main aspects related to FSO system design; design, construction and electrooptical characterization of circuits; mounting and demonstration, in the lab, of a test version of the system; study of characteristics related to radiation transfer from transmitter to receiver, involving the use of the link power budget for an estimation of the maximum distance achievable under ideal atmospheric conditions. The result is a full-duplex communication system that employs the 850 nm wavelength in OOK modulation format, operating at an effective bit rate of 125 Mbps. Based on the knowledge achieved, improvements to the system are suggested at the end of this work.

Os sistemas de comunicação óptica por espaço livre, comumente denominados sistemas FSO (Free Space Optics), servem para estabelecer enlaces de comunicação do tipo wireless, ponto-a-ponto, a uma elevada taxa de dados e com alcances que podem variar de algumas centenas de metros a alguns quilômetros. O interesse pela tecnologia FSO tem sido estimulado pela necessidade de se fornecer soluções complementares às tradicionais (e.g. fibra óptica e RF) visando a atender à crescente demanda por conexões de banda larga. Algumas de suas aplicações mais importantes são a conexão de redes locais de computadores, a conexão de estações rádio base de telefonia móvel às centrais e o acesso de última milha. Embora a tecnologia FSO venha sendo empregada em pequena escala no Brasil, vislumbra-se o potencial de maior aplicação desta tecnologia em um futuro próximo, razão pela qual se propõe este estudo, focado no projeto de sistemas FSO. A principal contribuição deste trabalho é demonstrar uma possível solução para a realização de um enlace óptico operando em espaço livre, destinado a conectar duas redes locais de computadores Ethernet Rápida (100 Mbps). As seguintes atividades foram desenvolvidas: estudo das questões mais relevantes pertinentes ao projeto de sistemas FSO; projeto, construção e caracterização eletro-óptica de circuitos; montagem e demonstração do funcionamento de uma versão de testes do sistema, realizadas em laboratório; estudo de características associadas à transferência de radiação óptica de transmissor para receptor, envolvendo o balanço de potência para estimativa do alcance do enlace, sob condições atmosféricas ideais. Como resultado, obtivemos um sistema de comunicação do tipo full-duplex, operando no comprimento de onda de 850 nm em formato de modulação OOK, a uma taxa de dados efetiva de 125 Mbps. Com base na experiência obtida, melhoras ao sistema são sugeridas no final do trabalho. / Free space optical communication systems (FSO systems) provide wireless, point-to-point communication links at high data rates, at maximum distances ranging from hundreds of meters to several kilometers. The growing interest in FSO technology arises from the necessity of providing complementary and alternative solutions to those already adopted (eg. fiber optics and RF), aiming to satisfy the increasing demand for broadband connections. Some of its most important applications are connecting local area networks (LANs), backhauling wireless networks and providing last mile access. Although today FSO is not widely adopted in Brazil, the technology has the potential for being adopted in a greater scale in the near future, which is the reason we propose a study focused on issues related to the design of FSO systems. This work\'s main contribution is to demonstrate a possible solution for the construction of a FSO system intended to connect two Fast Ethernet LANs (100 Mbps). For this purpose, the following activities were developed: study of the main aspects related to FSO system design; design, construction and electrooptical characterization of circuits; mounting and demonstration, in the lab, of a test version of the system; study of characteristics related to radiation transfer from transmitter to receiver, involving the use of the link power budget for an estimation of the maximum distance achievable under ideal atmospheric conditions. The result is a full-duplex communication system that employs the 850 nm wavelength in OOK modulation format, operating at an effective bit rate of 125 Mbps. Based on the knowledge achieved, improvements to the system are suggested at the end of this work.

[pt] Nesta tese, apresento uma investigação teórica e experimental das propriedades eletro-ópticas de um fotodetector baseado em uma superrede assimétrica InGaAs/InAlAs com um defeito estrutural. Essa heteroestrutura apresenta duas importantes características: estados parcialmente localizados no contínuo, chamados de estados eletrônicos vazantes, e um aumento virtual do band offset na banda de condução. Devido à assimetria da superrede, a função de onda do estado eletrônico vazante é localizada numa direção e estendida na outra. Em consequência dessas características, o fotodetector apresenta modo dual de operação, fotocondutivo e fotovoltaico, e temperatura de operação ambiente. O modo fotovoltaico foi alcançado devido à direção preferencial de escape do fluxo de elétrons excitados para os estados eletrônicos vazantes no contínuo. A temperatura de operação elevada ocorre devido à diminuição da corrente de escuro térmica causada pelo aumento virtual do band offset. No modo fotovoltaico, o espectro de fotocorrente apresenta dois picos estreitos de energias em 300 meV e em torno 440 meV, sendo eles relacionados às transições ópticas do estado fundamental para o primeiro e o segundo estado vazante no contínuo, respectivamente. Para o modo fotocondutivo, a largura de linha do espectro de fotocorrente é fortemente dependente da direção do bias de voltagem aplicado. Para o bias positivo, o espectro de fotocorrente apresenta um pico em 300 meV e um ombro de energia em torno de 260 meV. Para o bias negativo, o espectro de fotocorrente mostra uma banda larga com dois picos em 300 meV e 260 meV. Esse comportamento está relacionado com a população dos estados na minibanda em função da direção do bias aplicado. As figuras de mérito do fotodetector, em ambos os modos de operação, apresentam resultados similares aos melhores fotodetectores encontrados na literatura. / [en] In this thesis, I present a theoretical and experimental investigation of the electro-optical properties of a photodetector based on an InGaAs/InAlAs asymmetric superlattice with a structural defect. This heterostructure has two important characteristics: partially localized states in the continuum, called by leaky electronic states, and a virtual increase in conduction band offset. Due to the asymmetry of the superlattice, the wavefunction of the leaky electronic state is located in one direction and extended in another one. As a result of these features, the photodetector presents a dual-mode operation, photoconductive and photovoltaic modes, and room temperature operating. The photovoltaic mode has reached due to the preferential direction for the flow of excited electrons in the leaky electronic state in the continuum. The high operating temperature occurs because of the decrease in thermal dark current due to the virtual increase of band offset. In photovoltaic mode, the photocurrent spectrum has two narrow energy peaks at 300 meV and around 440 meV, which are related to optical transitions from the ground state to the first and the second leaky electronic states, respectively. For photoconductive mode, the line width of the photocurrent spectrum is strongly dependent on the direction of the applied voltage bias. For the positive bias, the photocurrent spectrum has a peak at 300 meV and a power shoulder around 260 meV. For the negative bias, the photocurrent spectrum shows broadband with two peaks at 300 meV and 260 meV. This behavior is related to the population of the mini band states as a function of the applied bias direction. The figure of merits of the photodetector, in both operation modes, present results similar to the best photodetectors found in the literature.