Na busca de um melhor entendimento das propriedades eletrônicas e magnéticas dos isolantes topológicos nos deparamos com uma das suas caraterísticas mais marcantes, a existência de estados de superfície metálicos com textura helicoidal de spin os quais são protegidos de impurezas não magnéticas. Na superfície estes canais de spin possuem um potencial enorme para aplicações em dispositivos spintrônicos. Muito há para se fazer e o tratamento via cálculos de primeiros princípios por simulações permite um caráter preditivo que corrobora na elucidação de fenômenos físicos via análises experimentais. Nesse trabalho analisamos as propriedades eletrônicas de isolantes topológicos tais como: (Bi,Sb)$_2$(Te,Se)$_3$, Germaneno e Germaneno funcionalizado. Cálculos baseados em DFT evidenciam a importância das separações entre as camadas de Van der Waals nos materiais Bi$_2$Se$_3$ e Bi$_2$Te$_3$. Mostramos que devido a falhas de empilhamento, pequenas oscilações no eixo de QLs (\\textit{Quintuple Layers}) podem gerar um desacoplamento dos cones de Dirac, além de criar estados metálicos na fase \\textit{bulk} de Bi$_2$Te$_3$. Em se tratando do Bi$_2$Se$_3$ um estudo sistemático dos efeitos de impurezas de metais de transição foi realizado. Observamos que há quebra de degenerescência do cone de Dirac se houver magnetização em quaisquer dos eixos. Além disso se a magnetização permanecer no plano, além de uma pequena quebra de degenerescência, há um deslocamento do mesmo para outro ponto da rede recíproca. No entanto, se a magnetização apontar para fora do plano a quebra ocorre no próprio ponto $\\Gamma$, porém de maneira mais intensa. Importante enfatizar que além de mapear os sítios com suas orientações magnéticas de menor energia observamos que a quebra da degenerescência está diretamente relacionada com a geometria local da impureza. Isso proporciona imagens de STM distintas para cada sítio possível, permitindo que um experimental localize cada situação no laboratório. Estudamos ainda a transição topológica na liga (Bi$_x$Sb$_{1-x}$)$_2$Se$_3$, onde identificamos um isolante trivial e topológico para $x=0$ e $x=1$. Apesar de óbvia a existência de tal transição, detalhes importantes ainda não estão esclarecidos. Concluímos que a dopagem com impurezas não magnéticas proporciona uma boa técnica para manipulação e engenharia de cone nesta família de materiais, de forma que dependendo da faixa de dopagem podemos eliminar a condutividade que advém do \\textit{bulk}. Finalmente estudamos superfícies de Germaneno e Germaneno funcionalizado com halogênios. Usando uma funcionalização assimétrica e com a avalição do invariante topológico $Z_2$ notamos que o material Ge-I-H é um isolante topológico podendo ser aplicado na elaboração de dispositivos baseados em spin. / In the search of a better understanding of the electronic and magnetic properties of topological insulators we are faced with one of its most striking features, the existence of metallic surface states with helical spin texture which are protected from non-magnetic impurities. On the surface these spin channels allows a huge potential for applications in spintronic devices. There is much to do and treating calculations via \\textit{Ab initio} simulations allows us a predictive character that corroborates the elucidation of physical phenomena through experimental analysis. In this work we analyze the electronic properties of topological insulators such as: (Bi, Sb)$_2$(Te, Se)$_3$, Germanene and functionalized Germanene. Calculations based on DFT show the importance of the separation from interlayers of Van der Waals in materials like Bi$_2$Se$_3$ and Bi$_2$Te$_3$. We show that due to stacking faults, small oscillations in the QLs axis (\\textit{Quintuple Layers}) can generate a decoupling of the Dirac cones and create metal states in the bulk phase Bi$_2$Te$_3$. Regarding the Bi$_2$Se$_3$ a systematic study of the effects of transition metal impurities was performed. We observed that there is a degeneracy lift of the Dirac cone if there is any magnetization on any axis. If the magnetization remains in plane, we observe a small shift to another reciprocal lattice point. However, if the magnetization is pointing out of the plane a lifting in energy occurs at the very $ \\Gamma $ point, but in a more intense way. It is important to emphasize that in addition to mapping the sites with their magnetic orientations of lower energy we saw that the lifting in energy is directly related to the local geometry of the impurity. This provides distinct STM images for each possible site, allowing an experimental to locate each situation in the laboratory. We also studied the topological transition in the alloy (Bi$_x$Sb$_{1-x}$)$_ 2$Se$_3$, where we identify a trivial and topological insulator for $x = 0$ and $x = 1$. Despite the obvious existence of such a transition, important details remain unclear. We conclude that doping with non-magnetic impurities provides a good technique for handling and cone engineering this family of materials so that depending on the range of doping we can eliminate conductivity channels coming from the bulk. Finally we studied a Germanene and functionalized Germanene with halogens. Using an asymmetrical functionalization and with the topological invariant $Z_2$ we noted that the Ge-I-H system is a topological insulator that could be applied in the development of spin-based devices.

As linhas de distribuição de energia estão frequentemente expostas a sobretensões causadas por descargas atmosféricas diretas e indiretas. As formas de onda dessas sobretensões podem diferir bastante do impulso atmosférico normalizado utilizado em ensaios para verificação da adequação dos projetos das isolações dos equipamentos frente a sobretensões atmosféricas (1,2/ 50 µs). Diferentes modelos têm sido propostos para se estimar o desempenho das isolações frente a impulsos não normalizados, sendo o modelo do efeito disruptivo (disruptive effect model) um dos mais utilizados. Este trabalho visa avaliar o comportamento de isoladores de média tensão quando sujeitos a sobretensões atmosféricas bipolares oscilatórias. Simulações realizadas usando o \"Extended Rusck Model\"(ERM) e resultados de medições demonstram que a ocorrência de sobretensões bipolares oscilatórias em linhas de distribuição não é um fato raro, pois descargas atmosféricas podem, sob certas condições, induzir tensões com tais características. Modificações realizadas no circuito de um gerador de impulsos de alta tensão convencional permitiram a geração de tensões bipolares de três períodos distintos: 2,2 µs, 4,1 µs e 6,0 µs. Este trabalho investiga o comportamento de um típico isolador de porcelana tipo pino de 15 kV sujeito a um impulso bipolar, representativo de uma tensão induzida por um raio. Mostra-se que uma modificação no método proposto por Savadamuthu et al. para estimar a suportabilidade do isolamento de pequenos (alguns milímetros) sistemas de isolamento submetidos a tensões oscilantes bipolares leva a resultados promissores em termos de previsão da ocorrência de descargas no isolador de classe 15 kV. / Power lines are often exposed to surges caused by direct and indirect lightning. The waveforms of these overvoltages may differ significantly from the standard lightning impulse used in tests to verify the adequacy of equipment insulation designs against atmospheric overvoltages (1.2/50 µs). Different models have been proposed to estimate the performance of the insulation against non-normalized impulses, with the disruptive effect model being one of the most used. This work aims at evaluating the behavior of medium voltage insulators when subjected to bidirectionally oscillating voltages. Simulations run using the Extended Rusck Model (ERM) and measurement results show that the occurrence of bipolar oscillating overvoltages are not rare on power distribution lines, as lightning strokes can induce, under certain conditions, voltages with such characteristics. Modifications performed in the circuit of a conventional high voltage pulse generator allowed the generation of bipolar voltages of three distinct periods: 2.2 µs, 4.1 µs and 6.0 µs. This work investigates the behavior of a typical 15 kV pin-type porcelain insulator subjected to bipolar impulses representative of lightning-induced voltages. It is shown that a modification on the method proposed by Savadamuthu et al. to estimate the insulation strength of small (a few mm) insulation systems subjected to bipolar oscillating voltages leads to promising results in terms of predicting the occurrence of flashovers on the 15 kV insulator.

Lightning causes important transient disturbances on transmission and distribution systems, with consequent damages to equipment, outages, and general decrease of the power quality. The assessment of the lightning dielectric strength of power equipment is generally based on tests performed using the standard lightning impulse voltage (1.2 / 50 µs waveshape), although the characteristics of the lightning overvoltages depend on many parameters and may vary widely. The behavior of insulators when subject to non-standard impulses depends both on the voltage amplitude and waveshape, and therefore a reliable model is required to produce the corresponding volt-time curves. Although there is no method universally accepted for this purpose, one of the most used is the Disruptive Effect (DE) model, which is based on the integration method concept. The application of this model involves the estimation of some parameters for which different procedures have been proposed in the literature, as for instance the procedures by Darveniza and Vlastos, by Hileman, by Chowdhuri et al., and by Ancajima et al. Tests of representative lightning overvoltages were performed to obtain the critical flashover overvoltages (CFO) and the volt-time curves of typical porcelain pin-type insulators considering three standard medium-voltage distribution classes (15 kV, 24 kV, and 36 kV) and five impulse voltage waveshapes, of both polarities. These tests provided data for the analyses of the insulators\' behavior and the results obtained using the different procedures for estimating the DE parameters. It is shown that in some cases insulator flashover is not predicted. A new method is then developed and proposed for evaluating the dielectric behavior of MV insulators. The method is validated using the typical insulators of the three voltage classes and the five lightning impulse voltages considered, of positive and negative polarities. The calculated volt-time curves showed in general a good agreement with the measured results for all the cases studied. The mean difference between the measured and calculated times to breakdown, for all the cases considered, was about 1.3 s; while the maximum difference was 4.0 s. The application of the proposed method to evaluate the occurrence of insulator flashovers in the shield wire line (SWL) system implemented in the State of Rondônia due to nearby lightning strikes supports previous conclusions that indicate that lightning has a significant impact on the SWL system performance in regions with high ground flash density. / Descargas atmosféricas produzem distúrbios transitórios significativos em sistemas de transmissão e distribuição, com consequentes danos em equipamentos, interrupções e redução geral na qualidade de energia elétrica. A avaliação da suportabilidade dielétrica frente às descargas atmosféricas do equipamento de potência é geralmente baseada em ensaios realizados usando o impulso atmosférico de tensão normalizada (forma de onda 1.2 / 50 µs), contudo as características das sobretensões atmosféricas dependem de muitos parâmetros e podem variar amplamente. O comportamento dos isoladores quando sujeitos a impulsos não normalizados depende tanto da magnitude como da forma de onda da tensão, e então um modelo confiável é necessário para se obter as curvas tensão-tempo correspondentes. Embora não haja um método universalmente aceito para essa finalidade, um dos mais utilizados é o modelo de Efeito Disruptivo (DE), que é baseado no conceito do método de integração. A aplicação desse modelo envolve a estimativa de alguns parâmetros para os quais diferentes procedimentos têm sido propostos na literatura, como por exemplo, os procedimentos de Darveniza e Vlastos, de Hileman, de Chowdhuri et al. e de Ancajima et al. Ensaios de sobretensões atmosféricas representativas foram feitos para obter as tensões de descarga disruptiva (CFO) e as curvas de tensão-tempo de isoladores de porcelana típicos, tipo pino, considerando três classes de tensão de distribuição de média tensão (15 kV, 24 kV e 36 kV) e cinco formas de onda de impulso de tensão, de ambas as polaridades. Estes ensaios proporcionaram dados para as análises do comportamento dos isoladores e os resultados obtidos usando os diferentes procedimentos para estimar os parâmetros necessários para a aplicação do modelo do Efeito Disruptivo. É mostrado que em alguns casos a disrupção no isolador não é prevista por tais procedimentos. Um novo método é, então, desenvolvido e proposto para avaliar o comportamento dielétrico dos isoladores de média tensão. O método é validado usando os isoladores típicos das três classes de tensão e as cinco formas de tensões de impulso atmosféricos consideradas, de polaridades positiva e negativa. As curvas tensão-tempo calculadas mostraram, em geral, boa concordância com os resultados medidos para todos os casos estudados. A diferença média entre os tempos de disrupção medidos e calculados, para todos os casos considerados, foi da ordem de 1,3 s; enquanto a máxima diferença foi de 4,0 s. A aplicação do método proposto para avaliar a ocorrência de disrupções em isoladores do Sistema de Cabo Para-raios Energizados (PRE), implementado no estado de Rondônia, devido a descargas atmosféricas indiretas, apoia as conclusões previamente obtidas que indicam que as descargas atmosféricas têm impacto significativo sobre o desempenho do sistema PRE em regiões com alta densidade de descargas para solo.

Nous présentons l'étude par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du composé NiCl2-4SC(NH2)2, dit DTN, constitué de chaînes de spins 1 faiblement couplées suivant les directions transverses aux chaînes. A basse température et dans un champ magnétique compris entre les deux valeurs critiques Hc1 et Hc2, ce système s'ordonne dans un état de type Condensat de Bose-Einstein (CBE). Dans cette phase, nous décrivons d'une part la détermination expérimentale du paramètre d'ordre (aimantation transverse), dont l'amplitude est bien décrite par la théorie mais dont la phase (orientation) semble fixée par un terme d'anisotropie. D'autre part nous avons étudié les fluctuations des spins électroniques à basse énergie, par la mesure du taux de relaxation RMN 1/T1, et montré que celui-ci obéit à la loi de puissance 1/T1 propto T^5. Ce comportement peut être associé au processus de 2ème ordre lié à des excitations ayant une dispersion linéaire, tels que les quasiparticules de Bogoliubov, mais sa nature n'est pas encore bien comprise. En dehors de la phase CBE, nous décrivons l'étude des fluctuations de spin dans le régime critique quantique (H ~ Hc2), dans lequel nous établissons une loi d'échelle sur 1/T1, identique à celle que l'on a observé dans un autre composé de description équivalente (échelle de spins BPCB), prouvant ainsi l'universalité de ce régime [S. Mukhopadhyay et al., Phys. Rev. Lett. 109, 177206 (2012)]. Nous avons aussi étudié les effets du désordre induit par la substitution Br-Cl dans le composé Ni(Cl1−xBrx)2-4SC(NH2)2, pour lequel des mesures par des techniques macroscopiques ont suggéré l'existence d'une phase "verre de Bose" [R. Yu et al., Nature 489, 379 (2012)]. Cette phase est caractérisée, pour différentes concentrations du dopage x = 4%, 9%, 13%, par un pic de relaxation RMN 1/T1 au champ Hp = 13.5 T, marquant un regain des fluctuations longitudinales et présentant une forte distribution des valeurs de 1/T1 - probablement due à l'aspect vitreux du système. L'indépendance du Hp en fonction de x démontre que la physique y est dominée par les effets locaux liés aux dopants. / We present a Nuclear Magnetic Resonance (NMR) study of the NiCl2-4SC(NH2)2 compound, called DTN, consisting of spin-1 chains that are weakly coupled along the transverse directions. At low temperatures and for magnetic field values between the two critical fields Hc1 and Hc2, this system enters an ordered phase of the Bose-Einstein Condensate (BEC) type. Within this phase, we first describe the experimental determination of the order parameter (transverse magnetization), the amplitude of which is found to be well described by theory while its phase (orientation) seems to be fixed by an anisotropy term. Second, by NMR relaxation rate 1/T1 we have studied the low-energy fluctuations of the electronic spins and found that they obey the power law 1/T1 ~ T 5. Such a behaviour points to a 2nd order process involving linearly dispersing excitations, such as Bogoliubov quasiparticles, but its nature is not yet well understood. Outside the BEC phase, we report a study of the spin fluctuations in the quantum critical regime (H ~ Hc2), demonstrating a scaling law on 1/T1 similar to the one that has already been observed in another equivalent compound, BPCB spin-ladder, thus proving the universality of this regime [S. Mukhopadhyay et al., Phys. Rev. Lett. 109, 177206 (2012)]. We have also studied the effect of disorder induced by the Br-Cl substitution in the compound Ni(Cl1-xBrx)2-4SC(NH2)2 (doped DTN), for which measurements using macroscopic techniques have suggested the existence of a "Bose glass" phase [R. Yu et al., Nature 489, 379 (2012)]. This phase is characterized, for all studied doping concentrations x = 4%, 9%, 13%, by a peak in the NMR relaxation rate 1/T1 at the field value Hp ~ 13.5 T, evidencing an upsurge of the longitudinal <SzSz> spin fluctuations, and presenting strong inhomogeneity of the 1/T1 values – probably reflecting the glassy character of the system. The observed doping-independence of Hp demonstrates that the corresponding physics is dominated by local effects due to the dopants.

Este trabalho apresenta as propriedades de transporte eletrônico de isolantes topológicos bidimensionais (TI) baseados em poços quânticos de HgTe/CdTe. Estas heteroestruturas, no regime de bandas invertido, contem um novo estado conhecido como isolante de spin Hall quântico (QSHI). Este estado apresenta um comportamento de isolante no corpo (bulk), mas exibe estados condutores sem lacunas nas bordas (edges), as quais podem ser verificadas em medidas de transporte. Medidas de resistência de quatro terminais foram observadas perto do valor quantizado em amostras mesoscópicas. No entanto, para amostras com mais de um m, a resistência pode ser muito maiores que h/2e2 devido à presença de defasagem de spin, não homogeneidade ou desordem na amostra. Esta tese aborda o problema da resistência não quantizado observada em amostras macroscópicas de dimensões maiores a algum mícron. Nós relatamos observação e investigação sistemática de transporte local e não local em poços quânticos de HgTe (8.0-8.3 nm) com estrutura de banda invertida correspondente à fase de isolante de spin Hall quântico. O dispositivo MCT1 consiste de três segmentos consecutivos de largura 4 m e de comprimentos diferentes (2 m, 8 m, 32 m), e sete sondas de tensão. O dispositivo MCT2 foi fabricado com um comprimento litográfico de 6 m e largura 5 m. Ambos dispositivos estão equipados com uma porta superior (top gate), que permite ajustar a densidade de portadores do dispositivo. A aplicação de uma tensão de porta muda a densidade de portadores, transformando a condutividade do poço quântico de tipo n para tipo p através de uma fase intermediária chamada de ponto a neutralidade de carga (CNP). Picos acentuados não universais (R >> h/2e2) em ambas as resistividades, local e não local, foram observados próximos ao CNP os quais diminuem rapidamente a medida que se afasta do CNP. Tal comportamento próximo ao CNP pode ser explicado usando o modelo de transporte de bordas (edge) e corpo (bulk), que inclui tanto os estados de borda como o corpo para a contribuição à corrente. O desvio dos valores da resistência de quarto terminais do valor quantizado (R >> h/2e2) em amostras macroscópicas com dimensões acima de algum mícron é um dos principais problemas no campo dos isolantes topológicos. Recentemente foi proposto um modelo por Vayrynen et al., onde tem sido considerado a influência de poças de carga, resultantes de distribuições de carga não homogêneas em isolantes topológicos 2d, na condutância de estados de borda helicoidal. Os estados de borda são acoplados por tunelamento a essas poças metálicas ou pontos quânticos. A permanência dos elétrons em pontos quânticos pode levar a um retroespalhamento inelástico significativo dentro da borda e modifica o transporte balístico. Portanto transporte balístico coerente é esperado somente na região entre poças, e o total de resistência de quatro terminais excede o valor quantizado. Introduzindo as interações elétron-elétron em sistemas de uma dimensão resulta em um liquido de Luttinger (LL). Os estados de borda helicoidais em isolantes topológicos 2d, podem ser tratados como um líquido de Luttinger ideal, uma vez que, naturalmente, aparecem em poços quânticos de HgTe. Entre as várias assinaturas específicas do comportamento do LL, como a dependência da temperatura, é importante se concentrar nas propriedades de não equilíbrio do LL. Em contraste com os líquidos de Fermi convencionais, nenhum estado excitado decairá ao estado de equilíbrio, caracterizado pela temperatura, na ausência de desordem. Medidas de elétron-aquecimento podem ser usadas para entender a física que governa os processos de relaxamento em LL. Nós temos realizado medidas de transporte não linear no CNP em isolantes topológicos 2d de HgTe. Este método, juntamente com a dependência da resistência com a temperatura, pode ser utilizado para determinar o mecanismo de relaxação da energia dos estados de borda helicoidais em QSHI. Nosso experimento falhou em confirmar as assinaturas especificas do comportamento do líquido de Luttinger. No entanto, o efeito de aquecimento de elétron pode ser descrito pelo mecanismo convencional de relaxamento de energia, esperado para espalhamento elétron-fônon. / This thesis present electronic transport properties of two-dimensional topological insulators (TI) based on HgTe/CdTe quantum wells. These heterostructures, in the band inverted regime, hosts a novel state known as the quantum spin Hall insulator. This state is identified as insulator in the bulk, but exhibits gapless conducting states at their edges which can be verified in transport experiments. Four-terminal resistance close to the quantized value has been observed in mesoscopic samples. However, for samples longer than 1 m, the resistance might be much higher than h/2e2 due to the presence of spin dephasing, inhomogeneity or disorder in the sample. This thesis address the problem of non-quantized resistance observed in macroscopic samples of dimensions longer than few microns. We report on the observation and a systematic investigation of local and nonlocal transport in HgTe quantum wells (8.0-8.3 nm) with inverted band structure corresponding to the quantum spin Hall insulating (QSHI) phase. The device MCT1 consists of three 4 m wide consecutive segments of different length (2 m, 8 m, 32 m), and seven voltage probes. The device MCT2 was fabricated with a lithographic length 6 m and width 5 m. Both devices are equipped with a top gate which allows tuning the carrier density of the device. Applying gate bias changes the carrier density transforming the quantum well conductivity from n-type to p-type via an intermediate phase, called the charge neutrality point (CNP). Non-universal (R >> h/2e2) peaks in both local and nonlocal resistivity were observed near the CNP which decreases rapidly going away from CNP. Such a behavior near CNP can be explained using the edge plus bulk transport model, which includes both the edge states and bulk contribution to the total current. Deviation of the four-terminal resistance from quantization (R >> h/2e2) in macroscopic samples, with dimensions above a few microns, is one of the major issue in the field of topological insulators. Recently a model was proposed by Vayrynen et al., where influence of charge puddles, resulting from inhomogeneous charge distribution in 2d topological insulators, on its helical edge conductance has been considered. The edge states are tunnel coupled to these metallic puddles or quantum dots. Electron´s dwelling in the quantum dot may lead to significant inelastic backscattering within the edge and modifies the ballistic transport. Therefore ballistic coherent transport is expected only in the region between the puddles, and the total four-terminal resistance exceeds the quantized value. Introducing electron-electron interactions in one-dimensional systems results in a Luttinger liquid (LL). The helical edge states in 2d topological insulator, can be treated as ideal Luttinger liquid, since it naturally appears in HgTe quantum wells. Among the various specific signatures of the LL behavior, such as temperature dependence, it is important to focus on non-equilibrium properties of LL. In contrast to conventional Fermi liquids, none of the excited state will decay to equilibrium state, characterized by temperature, in the absence of disorder. Electron-heating measurements can be used to understand the physics governing relaxation processes in LL. We have performed non-linear transport measurements at the CNP in HgTe based 2d topological insulators. This method together with temperature dependence of resistance can be used to determine the energy relaxation mechanism of the helical edge modes in QSHI. Our experiments fail to confirm the specific signatures of Luttinger liquid behavior. However, electron heating effect can be described by conventional energy relaxation mechanism, expected for electron-phonon interactions.

Die Sammlung der zwei-dimensionalen (2D) Materialien ist begrenzt, da sehr wenige Verbindungen stabil bleiben, sobald sie nur aus Oberflächen bestehen. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften sind 2D Materialien jedoch nach wie vor überaus begehrt. Vor kurzem wurden atomar definierte, chemisch gesättigte SiO2 Bilagen auf verschiedenen Metalloberflächen präpariert. Eine solche ultradünne Silika-Lage wäre eine vielversprechende Ergänzung zur Familie der 2D Materialien, wenn sie unter Strukturerhalt vom Wachstumssubstrat isoliert werden kann. In dieser Arbeit untersuchen wir die Eigenschaften einer Silika-Bilage im Zusammenhang mit Anwendungen von 2D Materialien. Die Bilage besitzt kristalline und amorphe Regionen, die beide atomar glatt sind. Die kristalline Region besitzt ein hexagonales Gitter mit gleichmäßiger Porengröße, während die amorphe Region einer komplexeren Beschreibung bedarf. In einer Studie von Baublöcken zeigen wir, dass mittelreichweitige Struktureinheiten in Korrelation mit einem Parameter für die Bindungswinkelfrustration auftreten. Das Netzwerk verschiedener Nanoporen stellt eine größenselektive Membran dar, wie wir in einer Adsorptionsstudie zeigen. Pd- und Au-Atome durchdringen den Silikafilm abhängig von der Größe der zur Verfügung stehenden Nanoporen. Der ultradünne Film hält der Einwirkung verschiedener Lösungsmittel stand und die Beständigkeit der Struktur in Wasser wird analysiert. Diese Studien deuten die außergewöhnliche Stabilität dieser Struktur an. Wir entwickeln eine polymerbasierte mechanische Exfoliation, um den Film von seinem Wachstumssubstrat zu entfernen, und zeigen, dass der Film als intakte Einheit vom Substrat abgelöst wird. Wir präsentieren anschließend den Transfer des Silikafilms auf ein TEM-Gitter, wo er schraubenartig gewundene Formen annimmt. Weiterhin wurde der Film auf ein Pt(111)-Substrat transferiert. In diesem Fall wird unter Erhalt der Struktur ein Transfer in der Größenordnung von Millimetern erreicht. / The library of two-dimensional (2D) materials is limited, since only very few compounds remain stable when they consist of only surfaces. Yet, due to their extraordinary properties, the hunt for new 2D materials continues. Recently, an atomically defined, self-saturated SiO2 bilayer has been prepared on several metal surfaces. This ultrathin silica sheet would be a promising addition to the family of 2D materials, if it can be isolated from its growth substrate without compromising its structure. In this work, we explore the properties of a silica bilayer grown on Ru(0001) in the context of 2D technology applications. The bilayer sheet exhibits crystalline and amorphous regions, both being atomically flat. The crystalline region possesses a hexagonal lattice with uniform pore size, while the amorphous region requires a more complex description. In a building block study of the amorphous region, we find that medium range structural patterns correlate with a parameter describing the bond angle frustration. The resulting network of different nanopores represents a size-selective membrane, as illustrated in an adsorption study. Pd and Au atoms are shown to penetrate the silica film selectively, depending on the presence of appropriately sized nanopores. The ultrathin silica film is shown to withstand exposure to different solvents and the stability of the structure in water is analyzed. These studies indicate extraordinary stability of this nanostructure. We develop a polymer assisted mechanical exfoliation method for removing the film from the growth substrate, providing evidence that the film is removed as an intact sheet from the growth substrate. We subsequently present the transfer of the silica bilayer to a TEM grid, where it forms micro-ribbons. Further, the film is transferred to a Pt(111) substrate, where mm-scale transfer under retention of the structure is achieved.

As linhas de distribuição de energia estão freqüentemente expostas a sobretensões causadas por descargas atmosféricas diretas e indiretas. As formas de onda dessas sobretensões têm uma faixa de variação muito ampla e podem diferir bastante do impulso atmosférico normalizado utilizado em ensaios para verificação da adequação dos projetos das isolações dos equipamentos frente a sobretensões atmosféricas (1,2 / 50 microssegundos). É fato conhecido que a suportabilidade das isolações depende não só da amplitude como da forma de onda das solicitações. Diferentes modelos têm sido propostos para se estimar o desempenho das isolações frente a impulsos não normalizados, sendo o modelo do efeito disruptivo (disruptive effect model) um dos mais utilizados. Existem, contudo, diferentes métodos de aplicação desse modelo, ou seja, diferentes formas de se estimar os parâmetros necessários para a sua aplicação. Este trabalho visa avaliar o comportamento dielétrico de isoladores de média tensão e analisar os principais métodos para estimativa da suportabilidade desses equipamentos frente a sobretensões atmosféricas com formas de onda diferentes da normalizada. Para essa avaliação foram realizados ensaios em um isolador tipo pino, de porcelana, com tensão nominal de 15 kV, nos quais foram utilizadas, além do impulso atmosférico normalizado, outras ondas selecionadas com base em resultados de medição e de cálculo. Modificações realizadas no circuito de um gerador de impulsos de alta tensão convencional permitiram a geração de tensões com formas de onda bastante semelhantes às de sobretensões induzidas por descargas atmosféricas tanto em linhas de tamanho natural como em experimentos realizados com modelo reduzido. São apresentados e discutidos os resultados dos ensaios de tensão disruptiva de impulso atmosférico a 50 % e as curvas tensão-tempo (U x t) obtidas para cada impulso, considerando ambas as polaridades. A avaliação dos métodos de aplicação do modelo do efeito disruptivo foi realizada com base em comparações entre as curvas tensão-tempo obtidas nos ensaios e as curvas previstas por cada modelo, para cada uma das ondas selecionadas. / Overhead distribution lines are often exposed to lightning overvoltages, whose waveshapes vary widely and can differ substantially from the standard impulse voltage waveshape used to test electric equipment insulation against lightning surges (1.2 / 50 microseconds wave). It is well known that the voltage withstand capability of insulation depends not only on the amplitude but also on the voltage waveshape. Different models have been proposed for predicting the strength of insulation subjected to impulses of non-standard waveshapes. One of the most commonly used is the \"disruptive effect model\". There are, however, different methods of applying this model, that is, different ways of estimating the parameters needed for its application. This thesis aims at evaluating the dielectric behavior of medium voltage insulators subjected to impulses of non-standard waveshapes, as well as at evaluating the main methods for predicting their dielectric strength against such impulses. For the analysis, tests were performed on a pin type porcelain insulator with rated voltage of 15 kV, using, besides the standard lightning impulse voltage waveshape, other s waveshapes selected based on the characteristics of measured and calculated lightning overvoltages. Modifications made to the circuit of a conventional impulse voltage generator allowed to obtain voltage waveshapes very similar to those of lightning-induced voltages measured in experiments conducted both in lines of natural size and in reduced model. The test results relative to the critical lightning impulse flashover voltage (U50) and the volt-time characteristics obtained for the positive and negative polarities of each waveshape are presented and discussed. The evaluation of the methods of determining the parameters of the disruptive effect model was based on comparisons between the volt-time curves obtained from the laboratory tests and those predicted by each method, for each of the selected voltage waveshapes.

Lightning causes important transient disturbances on transmission and distribution systems, with consequent damages to equipment, outages, and general decrease of the power quality. The assessment of the lightning dielectric strength of power equipment is generally based on tests performed using the standard lightning impulse voltage (1.2 / 50 µs waveshape), although the characteristics of the lightning overvoltages depend on many parameters and may vary widely. The behavior of insulators when subject to non-standard impulses depends both on the voltage amplitude and waveshape, and therefore a reliable model is required to produce the corresponding volt-time curves. Although there is no method universally accepted for this purpose, one of the most used is the Disruptive Effect (DE) model, which is based on the integration method concept. The application of this model involves the estimation of some parameters for which different procedures have been proposed in the literature, as for instance the procedures by Darveniza and Vlastos, by Hileman, by Chowdhuri et al., and by Ancajima et al. Tests of representative lightning overvoltages were performed to obtain the critical flashover overvoltages (CFO) and the volt-time curves of typical porcelain pin-type insulators considering three standard medium-voltage distribution classes (15 kV, 24 kV, and 36 kV) and five impulse voltage waveshapes, of both polarities. These tests provided data for the analyses of the insulators\' behavior and the results obtained using the different procedures for estimating the DE parameters. It is shown that in some cases insulator flashover is not predicted. A new method is then developed and proposed for evaluating the dielectric behavior of MV insulators. The method is validated using the typical insulators of the three voltage classes and the five lightning impulse voltages considered, of positive and negative polarities. The calculated volt-time curves showed in general a good agreement with the measured results for all the cases studied. The mean difference between the measured and calculated times to breakdown, for all the cases considered, was about 1.3 s; while the maximum difference was 4.0 s. The application of the proposed method to evaluate the occurrence of insulator flashovers in the shield wire line (SWL) system implemented in the State of Rondônia due to nearby lightning strikes supports previous conclusions that indicate that lightning has a significant impact on the SWL system performance in regions with high ground flash density. / Descargas atmosféricas produzem distúrbios transitórios significativos em sistemas de transmissão e distribuição, com consequentes danos em equipamentos, interrupções e redução geral na qualidade de energia elétrica. A avaliação da suportabilidade dielétrica frente às descargas atmosféricas do equipamento de potência é geralmente baseada em ensaios realizados usando o impulso atmosférico de tensão normalizada (forma de onda 1.2 / 50 µs), contudo as características das sobretensões atmosféricas dependem de muitos parâmetros e podem variar amplamente. O comportamento dos isoladores quando sujeitos a impulsos não normalizados depende tanto da magnitude como da forma de onda da tensão, e então um modelo confiável é necessário para se obter as curvas tensão-tempo correspondentes. Embora não haja um método universalmente aceito para essa finalidade, um dos mais utilizados é o modelo de Efeito Disruptivo (DE), que é baseado no conceito do método de integração. A aplicação desse modelo envolve a estimativa de alguns parâmetros para os quais diferentes procedimentos têm sido propostos na literatura, como por exemplo, os procedimentos de Darveniza e Vlastos, de Hileman, de Chowdhuri et al. e de Ancajima et al. Ensaios de sobretensões atmosféricas representativas foram feitos para obter as tensões de descarga disruptiva (CFO) e as curvas de tensão-tempo de isoladores de porcelana típicos, tipo pino, considerando três classes de tensão de distribuição de média tensão (15 kV, 24 kV e 36 kV) e cinco formas de onda de impulso de tensão, de ambas as polaridades. Estes ensaios proporcionaram dados para as análises do comportamento dos isoladores e os resultados obtidos usando os diferentes procedimentos para estimar os parâmetros necessários para a aplicação do modelo do Efeito Disruptivo. É mostrado que em alguns casos a disrupção no isolador não é prevista por tais procedimentos. Um novo método é, então, desenvolvido e proposto para avaliar o comportamento dielétrico dos isoladores de média tensão. O método é validado usando os isoladores típicos das três classes de tensão e as cinco formas de tensões de impulso atmosféricos consideradas, de polaridades positiva e negativa. As curvas tensão-tempo calculadas mostraram, em geral, boa concordância com os resultados medidos para todos os casos estudados. A diferença média entre os tempos de disrupção medidos e calculados, para todos os casos considerados, foi da ordem de 1,3 s; enquanto a máxima diferença foi de 4,0 s. A aplicação do método proposto para avaliar a ocorrência de disrupções em isoladores do Sistema de Cabo Para-raios Energizados (PRE), implementado no estado de Rondônia, devido a descargas atmosféricas indiretas, apoia as conclusões previamente obtidas que indicam que as descargas atmosféricas têm impacto significativo sobre o desempenho do sistema PRE em regiões com alta densidade de descargas para solo.

<p>In this overview I describe the simplest models for the quantum Hall and quantum spin Hall effects, and give some general indications as to the description of topological insulators. As a background to the theoretical models I will first trace the development leading up to the description of topological insulators . Then I will present Laughlin's original model for the quantum Hall effect and briefly discuss its limitations. After that I will describe the Kane and Mele model for the quantum spin Hall effect in graphene and discuss its relation to a general quantum spin Hall system. I will conclude by giving a conceptual description of topological insulators and mention some potential applications of such states.</p>

In this overview I describe the simplest models for the quantum Hall and quantum spin Hall effects, and give some general indications as to the description of topological insulators. As a background to the theoretical models I will first trace the development leading up to the description of topological insulators . Then I will present Laughlin's original model for the quantum Hall effect and briefly discuss its limitations. After that I will describe the Kane and Mele model for the quantum spin Hall effect in graphene and discuss its relation to a general quantum spin Hall system. I will conclude by giving a conceptual description of topological insulators and mention some potential applications of such states.