III-nitride semiconductors suffer significant efficiency limitations; ‘efficiency’ being an umbrella term that covers an extensive list of challenges that must be overcome if they are to fulfil their vast potential. To this end, it is imperative to understand the underlying phenomena behind such limitations. In this dissertation, I combine powerful optical and structural characterization techniques to investigate the effect of different defects on the carrier dynamics in III-nitride materials for light emitting devices. The results presented herein will enhance the current understanding of the carrier mechanisms in such devices, which will lead to device efficiency improvements. In the first part of this dissertation, the effects of some important types of crystal defects present in III-nitride structures are investigated. Here, two types of defects are studied in two different III-nitride-based light emitting structures. The first defects of interest are V-pit defects in InGaN/GaN multiple quantum well (MQW) blue LEDs, where their contribution to the high-efficiency of such LEDs is discussed. In addition, the effect of these defects on the efficiency droop phenomenon in these LEDs is elucidated. Secondly, the optical effects of grain boundary defects in AlN-rich AlGaN/AlGaN MQWs is studied. In this study, it is shown that grain boundary defects may result in abnormal carrier localization behavior in these deep ultraviolet (UV) structures. While both defects are treated individually, it is evident from these studies that threading dislocation (TD) defects are an underlying contributor to the more undesirable outcomes of the said defects. In the second part, the dissertation reports on the carrier dynamics of III-nitride LED structures grown on emerging substrates—as possible efficiency enhancing techniques—aimed at mitigating the effects of TD defects. Thus, the carrier dynamics of GaN/AlGaN UV MQWs grown, for the first time, on (2̅01) – oriented β-Ga2O3 is studied. It is shown to be a candidate substrate for highly efficient vertical UV devices. Finally, results from the carrier dynamics investigation of an AlGaN/AlGaN MQW LED structure homoepitaxially grown on AlN substrate are discussed, where it is shown that its high-efficiency is sustained at high temperatures through the thermal redistribution of carriers to highly efficient recombination sites.

Developing etching of GaN material system is the key to device fabrications. In this thesis, we report on the fabrication of high throughput lift-off of InGaN/GaN based micro-membrane light emitting diode (LED) from sapphire substrate using UV-assisted photoelectroless chemical (PEsC) etching. Unlike existing bandgap selective etching based on unconventional sacrificial layer, the current hydrofluoric acid based wet etching process enables the selective etching of undoped GaN layer already incorporated in standard commercial LED structures, thus attaining the leverage on high performance device design, and facile wet process technology. The lift-off micro-membrane LED showed 16% alleviated quantum efficiency droop under 200 mA/cm2 current injection, demonstrating the advantage of LED epitaxy exfoliation from the lattice-mismatched sapphire substrate. The origin of the performance improvement was investigated based on non-destructive characterization methods. Photoluminescence (PL) characterization showed a 7nm peak emission wavelength shift in the micro-membrane LED compared to the GaN-on-Sapphire LED. The Raman spectroscopy measurements correlate well with the PL observation that a 0.86 GPa relaxed compressive biaxial strain was achieved after the lift-off process. The micro-membrane LED technology enables further heterogeneous integration for forming pixelated red, green, blue (RGB) display on flexible and transparent substrate. The development of discrete and membrane LEDs using nano-fiber paper as the current spreading layer was also explored for such integration.

In recent times, plasmonics has been a hallmark in improving optoelectronic device performance as well as in improving sensing. Confining light in dimensions below the diffraction limit and subsequently converting the incident photons into localized charge-density oscillations called localized surface plasmons, optical enhancements of the local fields by many orders of magnitude is possible. This dissertation explores the use of such surface plasmon resonances in core multishell nanostructures and demonstrates the values of such structures in energy harvesting and sensing. Additionally, it also shows the use of emerging plasmonic materials like metal nitrides (TiN, ZrN) instead of traditional plasmonic materials (Au, Ag) in the nanostructure designs. Utilizing the localized surface plasmon resonance (LSPR) in metallic components of core multishell nanowires, calculations of the local density of states as a measure of emission were made using a Green’s function method, while the absorption and scattering were simulated using the Mie formalism. Combining both the absorption and the emission, the quantum efficiency of white LEDs was calculated and the optimal material/dimensions for maximal performance was determined for different phosphor components in a white LED. Additionally, the use of ZrN as a plasmonic cloak for noise cancellation in Si photodetectors is shown and the performance is compared with an Au cloak. Using the developed methodology, it is proved that ZrN cloaks can outperform Au cloaks in a certain region of the visible spectrum, showing the benefit of using such plasmonic systems in place of traditional materials. The fabrication of the different components of the core multishell nanowires is also presented, and in particular, fabrication of ultra-thin (sub-10 nm) plasmonic TiN is achieved. Utilizing plasmon hybridization, a tunable double resonance feature is observed in Au/SiO2/Au core shell shell (CSS) nanoparticles, which have been then demonstrated to improve the photocatalytic performance in hematite. In particular, the double resonance peak allows absorption of light beyond the band gap of hematite and subsequent conversion into photocurrent through hot electron injection. Comparison has been made with Au nanoparticles, and it has been shown that the CSS nanoparticles outperform Au nanoparticles significantly. These CSS nanoparticles have also been used for bioimaging, in particular for Raman spectroscopy, with strong results at high densities of the nanoparticles. Utilizing stronger scattering SiO2/Au Nanoshells, it has been possible to work towards single particle imaging of molecules and demonstration of this phenomenon has been shown here through the use of coherent Raman scattering spectroscopy.

No presente trabalho foi realizado o estudo das propriedades ópticas e elétricas de dispositivos eletroluminescentes poliméricos, conhecidos como diodos emissores de luz poliméricos (PLEDs), e o desenvolvimento de camadas transportadoras de carga (HTL), que visam promover um aumento da eficiência elétrica dos dispositivos. Para o estudo das propriedades ópticas e elétricas dos PLEDs, foram fabricados dispositivos com estruturas do tipo Ânodo/HTL/Polímero Eletroluminescente/Cátodo. Foram apresentadas todas as etapas de fabricação dos dispositivos, assim como seus processos de caracterização. Para o ânodo, foi utilizado um óxido transparente condutor, óxido de índio-estanho - ITO, com tratamento superficial em plasma de oxigênio. Foram estudados três materiais diferentes para as HTLs. Filmes de PAni:PVS ou PAni:Ni-TS-Pc foram depositados pela técnica de automontagem (Layer-by-Layer) e os filmes de PEDOT:PSS foram depositados pelo método de spin-coating. O polímero eletroluminescente utilizado neste trabalho foi o MEH-PPV, também depositado pelo método de spin-coating. Para o cátodo foi utilizado o alumínio, evaporado termicamente. O encapsulamento dos dispositivos foi realizado em atmosfera inerte de argônio para diminuir os efeitos de degradação através do oxigênio e da luz. O emprego de camadas transportadoras de buracos (HTLs) resultou numa sensível diminuição no valor da tensão de operação dos dispositivos, quando empregados filmes de PAni:PVS e PAni:Ni-TS-Pc. Os valores das tensões de operação baixaram de 12 V para cerca de 3 V em relação aos dispositivos fabricados sem a utilização de HTLs. Através da microscopia de força atômica, foi possível determinar a espessura das bicamadas e a rugosidade superficial dos filmes de PAni:PVS para correlacionar estes resultados com a resposta elétrica dos dispositivos. Espessuras de 4nm (para 1 bicamada) resultaram em tensões de operação de 3 V. Foi possível verificar também, por espectroscopia no UV-VIS, que este tipo de filme absorve luz em freqüência diferente daquela emitida pelo MEH-PPV. Medidas elétricas em regime de corrente contínua, curvas de Corrente vs. Tensão e, em regime de corrente alternada, espectroscopia de impedância, foram realizadas em dispositivos para determinar o valor da tensão de operação e estudar os efeitos de interface nas diferentes camadas que compõe um dispositivo. Através das curvas obtidas pela espectroscopia de impedância, foi possível determinar os valores dos componentes dos circuitos equivalentes (capacitores e resistores). Com isso, é possível simular o comportamento destes dispositivos através de circuitos elétricos antes mesmo de serem fabricados. Pelos resultados obtidos, todas as HTLs estudadas contribuíram para uma sensível diminuição no valor da tensão de operação dos dispositivos, apontando-os como excelentes materiais a serem utilizados com o objetivo de alcançar uma maior eficiência e um melhor desempenho destes dispositivos. / In the present work, the study of the optical and electrical properties of polymeric electroluminescent devices known as Polymer Light-Emitting Diodes (PLEDs) and the development of Hole Transport Layers (HTLs) to promote an increase of the electrical efficiency of the devices was performed. PLEDs were constructed with structures like Anode/HTL/Electroluminescent Polymer/Cathode in order to study the optical and electrical properties of these devices. All the stages of the devices production were presented, as well as its characterization processes. For the anode a conductive transparent oxide (Indium Tin Oxide - ITO) with a superficial oxygen plasma treatment was used. Three different materials for the HTLs were used. Films of PAni:PVS or PAni:Ni-TS-Pc were deposited by the self-assembly technique (Layer-by-Layer) and the films of PEDOT:PSS were deposited by the spin-coating method. The electroluminescent polymer used in this work was MEH-PPV, also deposited by the spin-coating method. Aluminum was deposited by thermal evaporation for the cathode. The devices encapsulation was performed in Argon inert atmosphere to reduce the degradation effects through oxygen and light. The use of Hole Transport Layers (HTLs) resulted in a sensitive decrease in the devices operating voltage value when films of PAni:PVS and PAni:Ni-TS-Pc were used. The operating voltage values have decreased from 12 V to 3 V in relation to the devices assembled without the usage of HTLs. By the use of Atomic Force Microscopy measurements the thickness of the bilayers and the surface roughness of the PAni:PVS films was obtained to correlate these results with the devices electric characteristics. Thicknesses of 3 to 4 nm (for one bilayer) resulted in operating voltage of 3 V. It was possible to verify also, by UVVIS Spectroscopy, that this type of PAni:PVS films absorbs light in a different frequency than that emitted by MEH-PPV. Electric measurements in the direct current, Current vs. Voltage curves and, in alternating current, Impedance Spectroscopy, were performed in devices to determine the operating voltage value and to study the interface effects in the different layers used in the devices. Analyzing the curves obtained by the impedance spectroscopy, it was possible to determine the values of the equivalent circuit components (capacitors and resistors) and, with that, to simulate the behavior of these devices through electric circuits even before they were manufactured. By the experimental results, all the HTLs studied have contributed to a sensitive decrease in the devices operating voltage, indicating them as excellent materials to be used to reach a higher efficiency and a better performance of these devices.

Os materiais luminescentes convencionais produzidos industrialmente e aplicados em dispositivos fotônicos são baseados em matrizes inorgânicas contendo íons terras raras (TR). Entretanto, devido à grande flutuação de preço nas matérias primas de óxido de terras raras, se torna necessário a busca por materiais alternativos. Dessa forma, materiais luminescentes baseado em matrizes inorgânicas dopadas com íons Tin+ foram preparadas. Os materiais luminescentes de ZrO2 não dopado e dopado com íons Tin+ e TR3+ foram preparados pelo método sol-gel com diferentes razões W = [H2 O]/[TBZ] (TBZ: butóxido de zircônio) e calcinado a diferentes temperaturas (500, 600, 800 e 1000 °C). Além disso, o método de aquecimento dielétrico assistido por radiação micro-ondas foi utilizado para preparar a série de oxissulfetos de terras raras (TR2O2S; TR: La, Gd e Y) e Lu2O3 dopados com íons Ti e Mg, bem como o material Y3Al5O12 dopado com íons Ce3+. Os materiais foram caracterizados estruturalmente pela técnica de difração de raios X pelo método do pó, seguida do refinamento pelo método de Rietveld para extração dos parâmetros estruturais. Diferentes composições de fase tetragonal (t-) e monoclínica (m-) de ZrO2 foram obtidas com a variação dos parâmetros de síntese. Os resultados indicaram que a fase cristalina influencia diretamente nas propriedades ópticas dos materiais. As fases tetragonal e monoclínica da matriz de ZrO2, exibem cores de emissão azul e verde, respectivamente. Os dados de microscopia eletrônica de transmissão foram utilizados para caracterizar os nanocristais que possuem tamanho de partícula média de 50 nm. Os estados de valência dos íons TR dopados nos materiais de ZrO2 foram analisados utilizando a técnica de XANES, enquanto que a valência do íon Ti foi sondada pela técnica de EPR. A espectroscopia XANES por radiação Síncrotron foi utilizada para estudar a variação de valência dos íons Pr e Tb dopados na matriz de ZrO2 quando co-dopadas com íons Gd3+ que favorecem a formação de vacâncias de óxido, que possibilitam a redução TRIV → TR3+. Os materiais de ZrO2 foram estudados espectroscopicamente com a finalidade de inferir que a luminescência da matriz é oriunda de íons Ti3+ presentes como impurezas na rede cristalina. Todos os materiais dopados com íons Ti apresentaram bandas de emissão largas e intensas de cores sintonizáveis desde o azul até vermelho, devido aos diferentes deslocamento das bandas relacionadas aos níveis 3d1 do íon Ti3+ em diferentes ambientes químicos. Os íons S2- promovem um deslocamento das bandas de emissão para região do vermelho. Também foi investigado o fenômeno da luminescência persistente dos materiais dopados com íons Ti e estudado a influência da co-dopagem de íons geradores de vacâncias de óxido na duração da luminescência persistente. Os dados permitiram o desenvolvimento de mecanismos da luminescência persistente em função das matrizes e íons dopantes. Também, o fósforo Y3Al5O12:Ce3+ foi montado a base de um polímero óptico de silicone e utilizando um LED de GaN de alta potência. O dispositivo de iluminação de estado sólido gera luz branca de alta intensidade com rendimentos quânticos (Φ) da ordem de 80%. Por fim, os processos fotoluminescentes do íon Tin+ e Ce3+ dopado em diferentes matrizes proporcionaram a ampliação da gama de materiais inorgânicos para conversão de energia, que contribui para a pesquisa em materiais economicamente viáveis e sustentáveis. / The most commercially available luminescent materials to be applied in devices are based on inorganic matrices containing rare earth ions (RE). However, due to the large price fluctuation of rare earth oxides, it is necessary to search for new alternative materials. Therefore, luminescent materials based on inorganic matrices doped with titanium ions were prepared. The undoped and Ti and RE3+ doped ZrO2 materials were prepared by sol-gel method and calcined at different temperatures (500, 600, 800 and 1000 °C). Besides, the dielectric heating method assisted by microwave radiation was used to prepare the rare earth series of oxysulfides (TR2O2S; RT: La, Gd and Y) and Lu2O3 doped with Ti and Mg ions, as well as the Ce3+ doped Y3Al5O12 phosphors. The materials were structurally characterized by X-ray powder diffraction technique along with the Rietveld refinement method for extracting structural parameters. It was possible to obtain different crystalline phase composition of tetragonal and monoclinic ZrO2 by varying the synthetic parameters. The experimental data show that the crystalline structure affects the photonic properties in a direct way. For example, the tetragonal and monoclinic ZrO2 phases show blue and green emission, respectively. The transmission electron microscopy indicated that the nanocrystals have 50 nm of average size. The valence states of the RE ions were analyzed using XANES technique, whereas the valence of the Ti ion was probed by the EPR technique. The Synchrotron Radiation XANES spectroscopy was used to study the valence changes of Pr and Tb doped in ZrO2 matrix when co-doped with Gd3+ ions that favors the formation of oxide vacancies, leading to the reduction REIV → RE3+. The ZrO2 materials were studied spectroscopically and it was possible to infer that the luminescence of the ZrO2 matrix is derived from Ti3+ ions present as impurities in its crystal lattice. All materials doped with Ti ions showed intense broad emission bands with tunable colors from blue to red due to different splitting of 3d1 energy levels of the Ti3+ ion in different chemical environments. The chemical environments containing S2- ions promote a redshift of the emission bands. All Ti doped materials showed the phenomenon of persistent luminescence and the role of co-dopants were investigated as well. Based on these optical results, the mechanisms of the persistent luminescence were developed. Also, the luminescent Y3Al5O12:Ce3+ material obtained by the rapid microwave proved to be suitable for mounting a solid state lighting device having quantum yields (Φ) of 80%. The device was assembled to an optical base polymer of silicone and using a high-power GaN LED, generating high intensity white light. Finally, the photoluminescent processes of the Ti and Ce3+ ions doped in different matrices provided the expansion of the range of inorganic materials for energy conversion, which can contribute to the research on more economically viable and sustainable materials.

Os materiais luminescentes convencionais produzidos industrialmente e aplicados em dispositivos fotônicos são baseados em matrizes inorgânicas contendo íons terras raras (TR). Entretanto, devido à grande flutuação de preço nas matérias primas de óxido de terras raras, se torna necessário a busca por materiais alternativos. Dessa forma, materiais luminescentes baseado em matrizes inorgânicas dopadas com íons Tin+ foram preparadas. Os materiais luminescentes de ZrO2 não dopado e dopado com íons Tin+ e TR3+ foram preparados pelo método sol-gel com diferentes razões W = [H2 O]/[TBZ] (TBZ: butóxido de zircônio) e calcinado a diferentes temperaturas (500, 600, 800 e 1000 °C). Além disso, o método de aquecimento dielétrico assistido por radiação micro-ondas foi utilizado para preparar a série de oxissulfetos de terras raras (TR2O2S; TR: La, Gd e Y) e Lu2O3 dopados com íons Ti e Mg, bem como o material Y3Al5O12 dopado com íons Ce3+. Os materiais foram caracterizados estruturalmente pela técnica de difração de raios X pelo método do pó, seguida do refinamento pelo método de Rietveld para extração dos parâmetros estruturais. Diferentes composições de fase tetragonal (t-) e monoclínica (m-) de ZrO2 foram obtidas com a variação dos parâmetros de síntese. Os resultados indicaram que a fase cristalina influencia diretamente nas propriedades ópticas dos materiais. As fases tetragonal e monoclínica da matriz de ZrO2, exibem cores de emissão azul e verde, respectivamente. Os dados de microscopia eletrônica de transmissão foram utilizados para caracterizar os nanocristais que possuem tamanho de partícula média de 50 nm. Os estados de valência dos íons TR dopados nos materiais de ZrO2 foram analisados utilizando a técnica de XANES, enquanto que a valência do íon Ti foi sondada pela técnica de EPR. A espectroscopia XANES por radiação Síncrotron foi utilizada para estudar a variação de valência dos íons Pr e Tb dopados na matriz de ZrO2 quando co-dopadas com íons Gd3+ que favorecem a formação de vacâncias de óxido, que possibilitam a redução TRIV → TR3+. Os materiais de ZrO2 foram estudados espectroscopicamente com a finalidade de inferir que a luminescência da matriz é oriunda de íons Ti3+ presentes como impurezas na rede cristalina. Todos os materiais dopados com íons Ti apresentaram bandas de emissão largas e intensas de cores sintonizáveis desde o azul até vermelho, devido aos diferentes deslocamento das bandas relacionadas aos níveis 3d1 do íon Ti3+ em diferentes ambientes químicos. Os íons S2- promovem um deslocamento das bandas de emissão para região do vermelho. Também foi investigado o fenômeno da luminescência persistente dos materiais dopados com íons Ti e estudado a influência da co-dopagem de íons geradores de vacâncias de óxido na duração da luminescência persistente. Os dados permitiram o desenvolvimento de mecanismos da luminescência persistente em função das matrizes e íons dopantes. Também, o fósforo Y3Al5O12:Ce3+ foi montado a base de um polímero óptico de silicone e utilizando um LED de GaN de alta potência. O dispositivo de iluminação de estado sólido gera luz branca de alta intensidade com rendimentos quânticos (Φ) da ordem de 80%. Por fim, os processos fotoluminescentes do íon Tin+ e Ce3+ dopado em diferentes matrizes proporcionaram a ampliação da gama de materiais inorgânicos para conversão de energia, que contribui para a pesquisa em materiais economicamente viáveis e sustentáveis. / The most commercially available luminescent materials to be applied in devices are based on inorganic matrices containing rare earth ions (RE). However, due to the large price fluctuation of rare earth oxides, it is necessary to search for new alternative materials. Therefore, luminescent materials based on inorganic matrices doped with titanium ions were prepared. The undoped and Ti and RE3+ doped ZrO2 materials were prepared by sol-gel method and calcined at different temperatures (500, 600, 800 and 1000 °C). Besides, the dielectric heating method assisted by microwave radiation was used to prepare the rare earth series of oxysulfides (TR2O2S; RT: La, Gd and Y) and Lu2O3 doped with Ti and Mg ions, as well as the Ce3+ doped Y3Al5O12 phosphors. The materials were structurally characterized by X-ray powder diffraction technique along with the Rietveld refinement method for extracting structural parameters. It was possible to obtain different crystalline phase composition of tetragonal and monoclinic ZrO2 by varying the synthetic parameters. The experimental data show that the crystalline structure affects the photonic properties in a direct way. For example, the tetragonal and monoclinic ZrO2 phases show blue and green emission, respectively. The transmission electron microscopy indicated that the nanocrystals have 50 nm of average size. The valence states of the RE ions were analyzed using XANES technique, whereas the valence of the Ti ion was probed by the EPR technique. The Synchrotron Radiation XANES spectroscopy was used to study the valence changes of Pr and Tb doped in ZrO2 matrix when co-doped with Gd3+ ions that favors the formation of oxide vacancies, leading to the reduction REIV → RE3+. The ZrO2 materials were studied spectroscopically and it was possible to infer that the luminescence of the ZrO2 matrix is derived from Ti3+ ions present as impurities in its crystal lattice. All materials doped with Ti ions showed intense broad emission bands with tunable colors from blue to red due to different splitting of 3d1 energy levels of the Ti3+ ion in different chemical environments. The chemical environments containing S2- ions promote a redshift of the emission bands. All Ti doped materials showed the phenomenon of persistent luminescence and the role of co-dopants were investigated as well. Based on these optical results, the mechanisms of the persistent luminescence were developed. Also, the luminescent Y3Al5O12:Ce3+ material obtained by the rapid microwave proved to be suitable for mounting a solid state lighting device having quantum yields (Φ) of 80%. The device was assembled to an optical base polymer of silicone and using a high-power GaN LED, generating high intensity white light. Finally, the photoluminescent processes of the Ti and Ce3+ ions doped in different matrices provided the expansion of the range of inorganic materials for energy conversion, which can contribute to the research on more economically viable and sustainable materials.

No presente trabalho foi realizado o estudo das propriedades ópticas e elétricas de dispositivos eletroluminescentes poliméricos, conhecidos como diodos emissores de luz poliméricos (PLEDs), e o desenvolvimento de camadas transportadoras de carga (HTL), que visam promover um aumento da eficiência elétrica dos dispositivos. Para o estudo das propriedades ópticas e elétricas dos PLEDs, foram fabricados dispositivos com estruturas do tipo Ânodo/HTL/Polímero Eletroluminescente/Cátodo. Foram apresentadas todas as etapas de fabricação dos dispositivos, assim como seus processos de caracterização. Para o ânodo, foi utilizado um óxido transparente condutor, óxido de índio-estanho - ITO, com tratamento superficial em plasma de oxigênio. Foram estudados três materiais diferentes para as HTLs. Filmes de PAni:PVS ou PAni:Ni-TS-Pc foram depositados pela técnica de automontagem (Layer-by-Layer) e os filmes de PEDOT:PSS foram depositados pelo método de spin-coating. O polímero eletroluminescente utilizado neste trabalho foi o MEH-PPV, também depositado pelo método de spin-coating. Para o cátodo foi utilizado o alumínio, evaporado termicamente. O encapsulamento dos dispositivos foi realizado em atmosfera inerte de argônio para diminuir os efeitos de degradação através do oxigênio e da luz. O emprego de camadas transportadoras de buracos (HTLs) resultou numa sensível diminuição no valor da tensão de operação dos dispositivos, quando empregados filmes de PAni:PVS e PAni:Ni-TS-Pc. Os valores das tensões de operação baixaram de 12 V para cerca de 3 V em relação aos dispositivos fabricados sem a utilização de HTLs. Através da microscopia de força atômica, foi possível determinar a espessura das bicamadas e a rugosidade superficial dos filmes de PAni:PVS para correlacionar estes resultados com a resposta elétrica dos dispositivos. Espessuras de 4nm (para 1 bicamada) resultaram em tensões de operação de 3 V. Foi possível verificar também, por espectroscopia no UV-VIS, que este tipo de filme absorve luz em freqüência diferente daquela emitida pelo MEH-PPV. Medidas elétricas em regime de corrente contínua, curvas de Corrente vs. Tensão e, em regime de corrente alternada, espectroscopia de impedância, foram realizadas em dispositivos para determinar o valor da tensão de operação e estudar os efeitos de interface nas diferentes camadas que compõe um dispositivo. Através das curvas obtidas pela espectroscopia de impedância, foi possível determinar os valores dos componentes dos circuitos equivalentes (capacitores e resistores). Com isso, é possível simular o comportamento destes dispositivos através de circuitos elétricos antes mesmo de serem fabricados. Pelos resultados obtidos, todas as HTLs estudadas contribuíram para uma sensível diminuição no valor da tensão de operação dos dispositivos, apontando-os como excelentes materiais a serem utilizados com o objetivo de alcançar uma maior eficiência e um melhor desempenho destes dispositivos. / In the present work, the study of the optical and electrical properties of polymeric electroluminescent devices known as Polymer Light-Emitting Diodes (PLEDs) and the development of Hole Transport Layers (HTLs) to promote an increase of the electrical efficiency of the devices was performed. PLEDs were constructed with structures like Anode/HTL/Electroluminescent Polymer/Cathode in order to study the optical and electrical properties of these devices. All the stages of the devices production were presented, as well as its characterization processes. For the anode a conductive transparent oxide (Indium Tin Oxide - ITO) with a superficial oxygen plasma treatment was used. Three different materials for the HTLs were used. Films of PAni:PVS or PAni:Ni-TS-Pc were deposited by the self-assembly technique (Layer-by-Layer) and the films of PEDOT:PSS were deposited by the spin-coating method. The electroluminescent polymer used in this work was MEH-PPV, also deposited by the spin-coating method. Aluminum was deposited by thermal evaporation for the cathode. The devices encapsulation was performed in Argon inert atmosphere to reduce the degradation effects through oxygen and light. The use of Hole Transport Layers (HTLs) resulted in a sensitive decrease in the devices operating voltage value when films of PAni:PVS and PAni:Ni-TS-Pc were used. The operating voltage values have decreased from 12 V to 3 V in relation to the devices assembled without the usage of HTLs. By the use of Atomic Force Microscopy measurements the thickness of the bilayers and the surface roughness of the PAni:PVS films was obtained to correlate these results with the devices electric characteristics. Thicknesses of 3 to 4 nm (for one bilayer) resulted in operating voltage of 3 V. It was possible to verify also, by UVVIS Spectroscopy, that this type of PAni:PVS films absorbs light in a different frequency than that emitted by MEH-PPV. Electric measurements in the direct current, Current vs. Voltage curves and, in alternating current, Impedance Spectroscopy, were performed in devices to determine the operating voltage value and to study the interface effects in the different layers used in the devices. Analyzing the curves obtained by the impedance spectroscopy, it was possible to determine the values of the equivalent circuit components (capacitors and resistors) and, with that, to simulate the behavior of these devices through electric circuits even before they were manufactured. By the experimental results, all the HTLs studied have contributed to a sensitive decrease in the devices operating voltage, indicating them as excellent materials to be used to reach a higher efficiency and a better performance of these devices.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:02:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3747.pdf: 6525981 bytes, checksum: 7091d3e5dff2ebc0abdf60c75dabc78a (MD5) Previous issue date: 2011-06-29 / Financiadora de Estudos e Projetos / The objective of this study was to investigate the effects of infrared-LED illumination associated with treadmill training. Forty five postmenopausal women (50-60 years old) participated in this study. They were randomly separated into 3 groups: (i) the LED group, with phototherapy during the treadmill training; (ii) the exercise group, carried out only treadmill training and (iii) the sedentary group, with neither phototherapy nor physical exercise. The treadmill training consisted of walking twice a week for 45 min at intensities between 85% to 90% maximal heart rate during 1 year. The irradiation parameters were 100mW, 40 mW/cm2, 108 J/cm2 and the treatment time of 45 min. The treatment was evaluated through maximal effort testing using treadmill, isokinetic dynamometry, anthropometry, body composition, blood exams, quality of life, bone mineral density, thermography, photographic documentation and nutritional aspects. The two-way ANOVA and one-way ANOVA with Bonferroni adjustments were used for the statistical analysis. The significance level was set at p<0.05. The most important results for the LED group were: improving the maximal exercise tolerance (&#916;Tlim=432±180seg, p=0.001 e; &#916;METs=4.2±1, p=0.01), increasing the muscle power (&#916;=21±6W, p=0.04) and reducing fatigue (&#916;=-7±4%, p=0.006). There were no significant differences in the body composition (p&#8805;0.05), but a qualitative difference of the skin was seen concerning the treatment of cellulite. There were reducted cholesterol levels (&#916;total cholesterol=-42±23 mg/dl, p=0.0003 and &#916;LDL=-35±20 mg/dl, p=0.001), as well as an increase of the quality of life (from 82±17 to 89±17, p=0.04). There were no significant differences noted concerning the bone mass loss (p&#8805;0.05). The cutaneous temperature increased during the exercise with the LEDs (from 33.5±0.8°C to 34.6±0.9°C, p=0.03). The results showed that the LED-illumination (850nm) improved physical performance and showed clinical benefits for the group of women investigated. Phototherapy associated with treadmill training can therefore be potentially used for sports, rehabilitation and aesthetics protocols to achieve certain positive results. / O objetivo deste estudo foi investigar os efeitos da iluminação-LED infravermelha durante o treinamento em esteira ergométrica. Participaram deste estudo 45 mulheres na pós-menopausa com idade entre 50-60 anos que foram separadas aleatoriamente em 3 grupos: (i) grupo LED, que realizou o treinamento na esteira ergométrica com fototerapia; (ii) grupo exercício, que realizou apenas o treinamento em esteira ergométrica e; (iii) grupo sedentário, que não realizou exercício físico e nem fototerapia. O treinamento foi realizado 2 vezes por semana durante 45 minutos em intensidade entre 85-90% da frequência cardíaca máxima durante 1 ano. Os parâmetros de irradiação foram 100 mW, 40 mW/cm2, tempo de tratamento de 45 minutos e 108 J/cm2 de fluência. O tratamento foi avaliado através de teste de esforço máximo em esteira ergométrica, dinamometria isocinética, antropometria, composição corporal, exames bioquímicos, qualidade de vida, densidade mineral óssea, termografia, documentação fotográfica e aspectos nutricionais. Para análise estatística foram utilizados ANOVA two-way e ANOVA one-way com ajustamentos de Bonferroni. O nível de significância foi p<0.05. Os principais resultados para o grupo LED foram: maior tolerância ao exercício máximo (&#916;Tlim=432±180seg, p=0.001 e; &#916;METs=4.2±1, p=0.01), maior potência muscular (&#916;=21±6W, p=0.04) e reduzida fadiga (&#916;=-7±4%, p=0.006). Não foram constatadas diferenças significativas na composição corporal (p&#8805;0.05), mas diferenças qualitativas na pele com redução de celulites. Houve também, a redução dos níveis de colesterol (&#916;colesterol total=- 42±23 mg/dl, p=0.0003 e &#916;LDL=-35±20 mg/dl, p=0.001), bem como, aumento da qualidade de vida (de 82±17 para 89±17, p=0.04). Não foi constatada redução significativa da massa óssea (p&#8805;0.05). Ainda, a temperatura cutânea aumentou durante o exercício com LEDs (de 33.5±0.8°C para 34.6±0.9°C, p=0.03). Os resultados mostraram que a iluminação-LED (850nm) pode potencializar o desempenho físico e os benefícios clínicos no grupo de mulheres investigado. Neste contexto, a fototerapia associada ao treinamento em esteira ergométrica pode ser potencialmente usada em protocolos de esporte, reabilitação e estética.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents an efficient lighting system using high intensity light emitting diodes (LEDs). The goal is to develop a compact and low cost electronic circuit to drive and control the current of LEDs disposed in a single enclosure. The proposal aims energy saving, high luminous efficacy and high useful life when replacing traditional lighting systems, as dichroic, incandescent or compact fluorescent lamps by LEDs without any change in electrical system installation. Furthermore, an emergency lighting system integrated into the lamp is proposed, allowing the use of the same equipment in the daily activities, supplied by mains, and under a possible break in the electrical network. To supply the LEDs through the mains with universal input voltage and charge the battery, a Buck converter was employed. To supply the LEDs with a continuous current through the battery, a Boost converter was used. The converters operate at high frequency and control the current through the LEDs independently. The battery can be composed of three rechargeable Ni-MH batteries (1,2 V) or a Li-ion battery (3,6 V). The design attends the Brazilian standard and international standard for emergency lighting systems. To validate the proposed idea, the circuits were designed and implemented. The experimental results are shown with the intention to prove the satisfactory behavior of the lamps. / Este trabalho apresenta um sistema de iluminação eficiente empregando diodos emissores de luz (LEDs) de alta intensidade. O objetivo é desenvolver um circuito eletrônico, compacto e de baixo custo, para acionamento e controle da corrente dos LEDs contidos em um único invólucro. A proposta visa a racionalização no uso da energia elétrica através de uma elevada eficácia luminosa e longa vida útil na substituição dos sistemas de iluminação tradicionais, como lâmpadas dicróicas, incandescentes ou fluorescentes compactas, por LEDs sem qualquer alteração na instalação elétrica. Além disso, é proposto um sistema de iluminação de emergência integrado a esta lâmpada, permitindo a utilização de um único equipamento para iluminação convencional, alimentada pela rede elétrica, e sob uma possível falha no fornecimento de energia. Para alimentar os LEDs, através da rede elétrica, com tensão de entrada universal e ainda carregar a bateria, um conversor Buck é empregado. Para alimentar os LEDs em corrente contínua através da bateria, um conversor Boost é utilizado. Os conversores operam em alta freqüência e controlam a corrente nos LEDs de forma independente. A bateria pode ser composta por três pilhas recarregáveis de Ni-MH (1,2 V) ou por uma bateria de Li-Ion (3,6 V). O projeto atende às exigências da norma brasileira (NBR 10898) e da norma internacional (IEEE Std 446-1995) para sistemas de iluminação de emergência. Para analisar a idéia proposta, os circuitos são projetados e implementados. Os resultados experimentais são apresentados de forma a comprovar o comportamento satisfatório das lâmpadas.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-06-10T11:59:43Z No. of bitstreams: 1 marcelopaschoaldias.pdf: 2362586 bytes, checksum: de75d2d7f7b0ebf296ee1a44eeb6874f (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-07-13T13:48:14Z (GMT) No. of bitstreams: 1 marcelopaschoaldias.pdf: 2362586 bytes, checksum: de75d2d7f7b0ebf296ee1a44eeb6874f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-13T13:48:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 marcelopaschoaldias.pdf: 2362586 bytes, checksum: de75d2d7f7b0ebf296ee1a44eeb6874f (MD5) Previous issue date: 2012-08-29 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esta dissertação tem como foco principal a avaliação do emprego de um conversor de baixo custo, operando em baixa frequência, para o acionamento de diodos emissores de luz (LEDs) usados em luminárias de baixa potência. A proposta considera inicialmente um conversor CA-CC conhecido como pré-regulador boost de alto fator de potência operando em baixa frequência, ou seja, um único acionamento liga-desliga para cada semiciclo da rede elétrica. Um protótipo experimental com potência de saída de 11 W foi implementado e comprova a possibilidade de emprego do conversor pretendido. Neste caso, foi observada por meio de avaliação fotométrica uma redução de 11% na eficácia luminosa do conjunto luminoso, em comparação com operação CC ideal, algo que se atribui à natureza descontínua da corrente nos LEDs. O pré-regulador apresentou um fator de potência de 0,97 e uma eficiência de 59%, em especial devido ao uso de um transformador abaixador de baixa frequência sobredimensionado. Pelo fato de impor à lâmpada uma corrente descontínua, o conversor proposto não emprega capacitores eletrolíticos, característica que contribui para uma elevada vida útil do circuito de acionamento. Um circuito similar, orientado à iluminação pública e que dispensa o uso de transformadores abaixadores, também é avaliado com apoio de simulação computacional. Neste caso, pode ser esperada uma eficiência global muito mais elevada. Outro pré-regulador baseado no mesmo princípio, porém empregando uma topologia tipo Ćuk, também é avaliado por meio de simulações, permitindo-se antever uma proposta de baixo custo, acionamento simplificado, elevada eficiência global, elevada eficácia luminosa e elevada vida útil. Finalmente, um estudo complementar desta dissertação considera a influência do posicionamento geométrico dos LEDs para a distribuição luminosa no plano de trabalho. Uma análise matemática e experimental é conduzida neste sentido e contribuiu para a alocação das unidades luminosas ao longo da barra de suporte da luminária de baixa potência implementada. / This work is mainly focused on the evaluation of the use of a low-frequency and low-cost converter intended to drive light emitting diodes employed in low power lighting fixtures. The proposal considers at first a high power factor boost pre-regulator converter featuring a low frequency switching of the main power device, which is driven twice each electric mains cycle. An experimental prototype with output power of 11 W is implemented and proves the concept feasibility. In this case, photometry studies show a reduction of 11% in the LEDs luminous efficacy, as compared to an ideal DC operation, which is due to the discontinuous nature of the output current. The boost pre-regulator presented a power factor of 0.97 and a global efficiency of 59%, something that can be imputed to the use of an underrated low frequency transformer. Despite some disadvantages, the discontinuous nature of LEDs current allows the converter to avoid using electrolytic capacitors, what confers an extended lifetime to the proposed driver. A similar circuit, which does not need transformers at all and is devised to be employed in street lighting, is also evaluated by means of numerical simulation. Moreover, another low frequency pre-regulator based on the Ćuk converter is evaluated with the aid of computer simulation, and the results show that it could be attained in practice a high global efficiency, high luminous efficacy and extended driver lifetime. Finally, a complementary study accomplished during this dissertation evaluates the influence of the geometric positioning of the LEDs for the luminous distribution over a given plane to be lit. Mathematical and experimental analysis have been developed contributing for the right allocation of lighting unities along the heatsink bar which bears the lighting fixture prototype.