Estudos teóricos recentes afirmaram que cadeias longas de poliaceno exibem um estado fundamental ferromagnético e uma alternância de ligações simples-duplas considerável. O estudo de nanoestruturas com propriedades magnéticas tem se tornado relevante para campos como a eletrônica molecular ou a spintrônica. A principal desvantagem do poliaceno é sua instabilidade química, porque sua estrutura é altamente reativa. Os resultados experimentais indicam que atualmente só é possível fabricar oligômeros pequenos. Neste trabalho estudamos a estrutura eletrônica de fitas de poliaceno sob o efeito da substituição de átomos de enxofre nas bordas. Buscamos com isso investigar a estabilidade química da fita sem a perda do estado ferromagnético intrínseco da estrutura pura. Os cálculos foram baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) com o funcional híbrido B3LYP. Na primeira etapa observamos o efeito da concentração e posição do enxofre dentro da estrutura em função do gap de energia. Grandes concentrações de enxofre mostraram que a estrutura sofre distorções geométricas severas provocando mudanças significativas no gap. Para as diversas configurações da dopagem foram testados vários tamanhos da célula unitária, proporcionando mais graus de liberdade para a relaxação do sistema. Na maioria dos casos a diferença da energia por célula unitária entre os estados magnéticos e não magnéticos foi pequena (da ordem da energia térmica para temperatura ambiente). Isso indica que qualquer configuração com uma diferença de energia dessa ordem pode ser facilmente induzida através de perturbações externas para que fique no estado magnético. O enxofre então pode ser um dopante viável dentro destas estruturas de carbono conservando as propriedades intrínsecas junto com a estabilidade. / Recent theoretical studies reported that long polyacene chains exhibit a ferromagnetic ground state and a considerable alternation between single and double bonds. The study of nanostructures with magnetic properties has become relevant in fields such as molecular electronics and spintronics. The main disadvantage of polyacene is the chemical instability because it\'s structure is highly reactive. Experimental results indicate that only small oligomers, up to heptacene, are stable. We study the electronic structure of polyacene chains substitutionally doped by sulfur. The aim of the present study is to investigate the do\\-ping by sulfur at the chain edges and it\'s influence on magnetic states. The calculations were based on the Density Functional Theory (DFT) with the hybrid functional B3LYP. Firstly, we adopted a small oligomer to study the effects of the position and concentration of sulfur on the structure and on the energy gap. Large concentrations of sulfur provoke severe geometric distortions causing significant changes on the energy gap. Multiple configurations of doping were tested by adopting large unit cells, which provide more degrees of freedom to the relaxation of the system. In most cases the difference of energy per unit cell between the magnetic and non-magnetic states was small (of the order of the thermal energy). This indicates that these systems can easily be excited by external disturbances to reach a magnetic state. Therefore sulfur could be a viable dopant on these carbon structures since the chemical stability is increased while retaining some of the desired electronic and magnetic properties.

Orientador: Alexandre Zirpoli Simões / Resumo: Devido à problemática das intoxicações com monóxido de carbono ser responsável pelo maior tipo de envenenamento do século 21, objetivou-se a produção de materiais nanoestruturados a base de céria, pura e dopada com lantânio (La 3+ ), através do método hidrotermal assistido por micro-ondas com posterior deposição na forma de filmes, para caracterização como dispositivos sensores na detecção de atmosfera de CO, por meio da técnica de sonda de duas pontas. O método de síntese empregado foi eficaz na produção de nanopartículas, com dimensões inferiores a 10 nm, apresentando elevada cristalinidade, caracterizada por um ordenamento periódico a curta e longas distâncias, além da ausência de fases secundárias, comprovadas pelas caracterizações realizadas por difratometria de raios-X (DRX), bem como pelas técnicas de espectroscopias Raman, Infravermelho, Ultravioleta- Visível ou ainda por Ressonância Paramagnética de Elétrons. Os filmes depositados apresentaram uma resposta frente ao gás CO extremamente rápida e seletiva, com tempos de resposta em 54, 12, 5.5 e 2 s para as amostras pura e dopadas com lantânio em 4, 8 e 12%, respectivamente. Além da resposta elétrica, os filmes apresentaram ainda uma resposta óptica, com destaque para a amostra com 8%, a qual muda de cor em menos de 1s, a 380 °C sob pressão de 5 mmHg de CO, tornando-se promissores sensores de gás com resposta dupla (óptica e elétrica). / Doutor

A utilização de novas rotas de síntese de materiais nanoestruturados tem levado à obtenção de materiais apresentando novas propriedades e aplicações. O presente trabalho teve como principal objetivo realizar a síntese e a caracterização de nanopartículas de óxido de vanádio obtidas pelo método da decomposição de peróxido utilizando o tratamento hidrotermal. Por meio do controle do tempo e da temperatura de síntese, foi possível obter nanoestruturas de pentóxido de vanádio com diferentes fases cristalinas e morfologias. Os resultados de espectroscopia Raman e difração de raios X (DRX) mostraram que o tratamento hidrotermal da solução em temperaturas de até 180oC, durante 2 horas, leva à formação da fase V2O5nH2O monoclínica, apresentando uma orientação preferencial na direção 00l. A partir desta temperatura, o material obtido passou a ter a fase ortorrômbica perdendo sua orientação preferencial. Através das medidas de termogravimetria (TG) foi observado que, dependendo da condição de síntese, as amostras apresentam diferentes quantidades de moléculas de água (H2O) intercaladas em sua estrutura. Imagens de microscopia eletrônica mostraram que as nanoestruturas obtidas podem possuir a forma de fitas, fios ou bastões. Utilizando a técnica de espectroscopia de absorção de raios X (XAS), foi possível verificar a presença de íons de V4+ nas amostras de fase monoclínica, o que não foi observado naquelas que possuem estrutura ortorrômbica. Pela técnica de XAS também foi possível constatar que as amostras de estrutura ortorrômbica possuem menor grau de desordem ao redor do átomo de vanádio. O estudo do mecanismo de crescimento da nanoestrutura de V2O5nH2O mostrou que ocorre um crescimento lateral, o qual pode ser descrito pelo mecanismo denominado Coalescência Orientada ou Oriented attachment (OA). Finalmente, através da decomposição do peróxido de vanádio, foi possível obter compostos vanadatos contendo cátions de Na+ em sua estrutura. / The use of new routes for nanostructured materials synthesis has lead to materials with new properties and applications. This PhD project aimed to realize the synthesis and the characterization of vanadium pentoxide nanoparticles obtained by peroxide decomposition using the hydrothermal treatment. By controlling synthesis time and temperature it was possible to achieve vanadium pentoxide nanoparticles with different crystalline phases and orphologies. The results of Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD) showed that the hydrothermal treatment of the solution at temperatures up to 180oC for two hours leads to formation of the V2O5nH2O monoclinic phase with a preferential orientation on 00l direction. From this temperature on the material obtained began to present the orthorhombic phase misleading its preferential orientation. Through thermogravimetry (TG) measurements it was seen that depending on the synthesis condition the samples contains different amounts of water molecules (H2O) interleaved in their structure. Images of transmission electron microscopy (TEM) showed that the V2O5nH2O compound could have different morphologies such as ribbons, wires and rods. From X-Ray Absorption spectroscopy (XAS) measurements, it was observed the presence of V4+ ions in the monoclinic phase samples, which was not observed on orthorhombic structure samples. Through the XAS technique was also observed that the orthorhombic structure samples have a lower degree of disorder around the vanadium atom. Regarding the growth mechanism of these nanostructures, it was possible to verify that has been a wide growth which can be explained by the mechanism denominated Oriented Attachment (OA). Finally, through vanadium peroxide decomposition vanadates compounds containing Na+ cation in its structure were carried out.

A imobilização de fotossensibilizadores (FS) em materiais nanométricos tem se mostrado uma excelente alternativa ao seu emprego na forma molecular para terapia fotodinâmica (PDT). O presente trabalho descreve uma série de estratégias sintéticas desenvolvidas para a imobilização de FS em nanoesferas de sílica contendo núcleos magnéticos, bem como o estudo das propriedades foto-químicas, foto-físicas e morfológicas dos nanomateriais obtidos. Os FS utilizados foram o azul de metileno, tionina, azure A, protoporfirina IX, hematoporfirina IX e clorofilina. As metodologias de imobilização empregadas envolveram a adição do FS durante o crescimento da camada de sílica ou a ligação do FS na superfície do nanomaterial já formado. Em alguns casos foi necessário modificar previamente o FS com organossilanos. Os núcleos magnéticos foram preparados por co-precipitação de sais de ferro(II) e ferro(III) em meio básico e o revestimento com sílica foi realizado utilizando-se tetraetilortossilicato em uma microemulsão. Os núcleos magnéticos revestidos com uma camada de sílica mantiveram o comportamento superparamagnético. Para a tionina e o azul de metileno não foi detectada geração de oxigênio singlete após a imobilização. Para o azure A, protoporfirina IX e clorofilina imobilizados, a geração de oxigênio singlete foi detectada e caracterizada por métodos químicos e físicos. O material contendo clorofilina mostrou-se bastante promissor e foi empregado em estudos preliminares com células HeLa, levando à morte celular após irradiação, o que comprova o potencial para PDT. O comportamento do fotossensibilizador imobilizado e a possível proteção extra fornecida pela camada de sílica foram estudados pela supressão de fluorescência com íons brometo e supressão da geração de oxigênio singlete com albumina de soro bovino. Hematoporfirina IX é mais afetada na forma livre do que imobilizada em nanoesferas de sílica, o que indica que o FS imobilizado é capaz de gerar oxigênio singlete e está mais protegido de interferentes. / The immobilization of photosensitizers (PS) in nanometric materials is an excellent alternative to their use in molecular forms for photodynamic therapy (PDT). The present work describes a series of synthetic strategies for the immobilization of PS on silica nanospheres containing magnetic nucleous, as well as the studies of the photochemical, photophysical and morphological properties of the obtained materials. The studied PS were methylene blue, thionin, azure A, protoporphyrin IX, hematoporphyrin IX and chlorophyllin. The immobilization methodologies involve the addition of PS during the growth of the silica shell or the attachment of PS to the material surface. Often, a previous modification of the PS with organosilanes was necessary. The magnetic cores were prepared by co-precipitation of iron(II) and iron(III) salts in basic media and the coating with silica was performed by a microemulsion using TEOS. After coating with silica, the magnetic nanomaterial maintained the superparamagnetic behavior. The generation of singlet oxygen by thionin and methylene blue was not detect after immobilization. The generation of singlet oxygen by immobilized azure A, protoporphyrin IX and chlorophyllin was detected and characterized by chemical and physical methods. The material containing chlorophyllin is promising for PDT and was applied in preliminary studies with HeLa cells, causing cell death after irradiation. The behavior of the immobilized PS and the possible extra protection given by the silica shell were investigated by fluorescence quenching with bromide ions and by suppression of singlet oxygen generation with bovine serum albumin. Hematoporphyrin IX was more affected in the free form than immobilized in silica nanospheres, which indicates that the immobilized FS still generates singlet oxygen and is more protected against interfering species

Os materiais à base de céria (CeO2) e zircônia (ZrO2) estão presentes em diversas aplicações tecnológicas, destacando-se como anodo de células de combustível de óxido sólido (SOFC) e em catálise, tanto para a produção de hidrogênio, como na automotiva (Three-Way Catalysis). A solução sólida ZrxCe1-xO2- é de especial interesse, pois apresenta melhor estabilidade térmica e maior capacidade de armazenamento de oxigênio (OSC), quando comparada com os óxidos não dopados. Os materiais mesoporosos (poros de 2 a 50 nm) possuem elevada área superficial e permeabilidade a gases, características estas importantes para o desempenho das SOFCs e dos processos de catálise. Neste trabalho, zircônia-céria (Zr0,1Ce0,9O2-) mesoporosa foi sintetizada pelo processo sol-gel, utilizando, como precursores, os cloretos inorgânicos (ZrCl4 e CeCl3.7H2O), o copolímero em bloco P123 (PEO20PPO70PEO20) como direcionador de estrutura e o TIPB (tri-isopropil-benzeno) como agente dilatador. A solução passou por tratamento hidrotérmico durante 48h a 80°C, com posterior calcinação a 400°C para a remoção do polímero, resultando no óxido cristalizado. Na análise foram utilizadas as técnicas: difração de raios X em alto ângulo (XRD), espalhamento de raios X a baixo ângulo (SAXS), isotermas de adsorção de nitrogênio (NAI) e microscopia eletrônica de varredura e transmissão (SEM e TEM). Os resultados mostraram que o material possui elevada área superficial (110m2/g), mesoporos de várias dimensões, atingindo valores médios em torno de 30 nm, fase majoritariamente cúbica Fm3m e, em menor proporção, tetragonal P42/nmc. As micrografias revelaram que o óxido está totalmente nano-cristalizado, com os poros tipo fendas e uma mesoporosidade secundária com distribuição de tamanhos menor e mais estreita. Quatro amostras foram sintetizadas com diferentes razões em massa TIPB/P123 (0, 1, 2 e 4), de forma que foi possível verificar um aumento na dimensão dos poros devido à inclusão do dilatador. As demais propriedades estruturais e morfológicas mantiveram-se inalteradas entre todas as amostras, mesmo com diferentes quantidades de TIPB. / The ceria (CeO2) and zirconia (ZrO2) based materials are present in several technological applications, mainly as Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) anodes and catalysts, for hydrogen production and automotive converter (Three-Way Catalysis). The solid solution ZrxCe1-xO2- has attracted special attention, since it shows better thermal stability and higher oxygen storage capacity (OSC), if compared to the non-doped oxides. The mesoporous materials (pores of 2 to 50 nm) show high surface area and gas permeability, important properties for SOFCs and catalysts efficiency. In this work, mesoporous ceria-zirconia (Zr0,1Ce0,9O2-) was synthesized by a sol-gel route using inorganic chlorides (ZrCl4 e CeCl3.7H2O) as precursors, block copolymer P123 (PEO20PPO70PEO20) as template and TIPB (tri-isopropyl-benzene) as swelling agent. The solution was submitted to hydrothermal treatment for 48h at 80°C and calcined at 400°C to remove the template, resulting in the crystallized oxide. The characterization was performed by X-ray diffraction at high angles (XRD), small angle X-ray scattering (SAXS), nitrogen adsorption isotherms (NAI) and transmission and scanning electron microscopy (TEM and SEM). The results showed that the material has high surface area (110m2/g), a wide pore size distribution with mean values around 30 nm, predominant cubic phase Fm3m and, in less quantity, tetragonal P42/nmc. The micrographs revealed that the oxide is totally nano-crystallized, having pores with slit shape and a secondary smaller mesoporosity with a narrow size distribution. Four samples were produced with different TIPB/P123 mass rate (0, 1, 2, 4), therefore was possible to verify the pore size expansion due to the swelling addition. The structural and morphological properties remained unchanged, even with different quantities of TIPB.

A possibilidade produzir hidrogênio (H2) a partir da quebra da molécula da água, usando a radiação solar, foi descoberta ha mais de 40 anos e nas ultimas décadas tem recebido grande atenção científica. A síntese de semicondutores nanoestruturados representam um avanço no uso como fotocatalisadores para a produção de H2 a partir da quebra da molécula da água, devido a alta área superficial. Dos semicondutores nanoestruturados desenvolvidos, o TiO2 apresenta grande interesse por se tratar de um material abundante, barato e altamente estável quimicamente. Por outro lado, o TiO2 apresenta uma atividade fotocatalítica limitada devido ao seu alto band gap (~3,2 eV), relativamente alto, e a rápida recombinação do par elétron-buraco gerado pela radiação UV. Neste sentido, a adição de nanopartículas (NPs) de Au ao TiO2 aparece como uma solução viável para aumentar a eficiência do semicondutor na reação de water splitting (WS). Os mecanismos envolvidos no aumento de eficiência na produção de H2 devido as inserção de NPs de Au ainda não estão totalmente entendidos. Atualmente existem dois modelos que descrevem o fenômeno: i) o Au atua como um "reservatório" para os fotoelétrons promovidos pelo processo de transferência de carga do semicondutor quando excitados com radiação UV, fazendo com que as reações de fotocatalíticas de geração de H2 ocorram na superfície das NPs de Au e ii) as NPs de Au apresentam ressonância de plasmon de superfície “injetando” elétrons na banda de condução (BC) do TiO2, assim aumentando a quantidade de elétrons disponíveis para formação do H2, fazendo com que a reação de produção de H2 ocorra na superfície do semicondutor. Neste trabalho são apresentados resultados inéditos da produção e caracterização nanotubos de TiO2 (NTs de TiO2) modificados com Au e utilizados como fotocatalisadores para a produção de H2 a partir do processo de WS. A discussão está centrada na modificação das propriedades do TiO2 através da adição de NPs de Au na estrutura e na superfície, através de dois métodos: i) implantação iônica e ii) sputtering. Os resultados relacionam a atividade fotocatalítica na produção de H2. dos fotocatalisadores em função da posição das NPs de Au. / The possibility to produce hydrogen (H2) from the water splitting using solar radiation, was discovered for more than 40 years and in recent decades has received great scientific attention. The synthesis of nanostructured semiconductor represent an advancement in use as photocatalysts for the production of H2 from the splitting of the water, due to high surface area. Developed nanostructured semiconductors, TiO2 has a great interest in the case of a material abundant, inexpensive and high chemical stability. On the other hand, has a low efficiency TiO2photocatalyst for the H2 production due to its high band gap (~ 3.2 eV) and the rapid recombinant electron-hole pair generated by UV radiation. In this sense, the addition of Au nanoparticles (NPs) to TiO2 appears as a viable solution to increase the efficiency of reaction in the semiconductor water splitting (WS). The mechanisms involved in increased efficiency in H2 because the insertion of Au NPs are not yet fully understood. Currently, there are two models that describe the phenomenon: i) the Au acts as a "reservoir" for the photoemission process promoted by the charge transfer of the semiconductor when excited with UV radiation, causing the reactions of photocatalytic H2generation occur in NPs Au surface and ii) Au NPs surface plasmon resonance "pumping" electrons in the TiO2conduction band (CB), thus increasing the amount of electrons available for the formation of H2, making the reaction H2 production occurs in the semiconductor surface. This work presents the results of the production and characterization of TiO2 nanotubes (TiO2TNs) Au-modified and used as photocatalysts for the H2 production by WS. The discussion is focused on modifying the properties of NTs by the addition of Au NPs in the TiO2 structure or surface by means of two methods: i) ion implantation and ii) sputtering, and comparing its photocatalytic activity influences the position of the NPs in the Au H2 production.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-10-20T16:15:48Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_ModelagemEfeitosPlasmonicos.pdf: 3114372 bytes, checksum: cb026c4d61585b2d8cee51b195e59e46 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-10-22T13:24:08Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_ModelagemEfeitosPlasmonicos.pdf: 3114372 bytes, checksum: cb026c4d61585b2d8cee51b195e59e46 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-10-22T13:24:08Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_ModelagemEfeitosPlasmonicos.pdf: 3114372 bytes, checksum: cb026c4d61585b2d8cee51b195e59e46 (MD5) Previous issue date: 2014 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Metamateriais são meios artificiais estruturados para a obtenção de propriedades físicas não prontamente encontradas na natureza. Estes meios, em geral, são organizados periodicamente com uma célula unitária que possui dimensões menores que o comprimento de onda da radiação eletromagnética incidente. Esta característica permite que estes meios possam ser tratados como materiais homogêneos e, por conseguinte, descritos em termos de parâmetros constitutivos efetivos. Este trabalho realiza a modelagem analítica e numérica de um metamaterial nanoestruturado com inclusões metálicas. É desenvolvido um formalismo fundamentado no modelo de Maxwell-Garnett para descrever o índice de refração efetivo do metamaterial levando em conta a forma geométrica das nanopartículas e a natureza dos modos locais excitados. É evidenciado que estes modos correspodem a excitações plasmônicas superfíciais. Por meio da caracterização do metamaterial no domínio óptico, é investigado o potencial de tais meios para o desenvolvimento de sensores de índice de refração mais compactos e com valores de sensibilidade superiores aos encontrados em sistemas baseados unicamente em fibras ópticas. / Metamateriais are artificial media structured to obtain physical properties not readily found in nature. In general, these media are arranged periodically with a unit cell whose dimensions are smaller than the wavelength of the incident electromagnetic radiation. This characteristic allows dealing with such materiais as homogenized media, which means describing them by effective constitutive parameters. This work performs the analytical and numerical model of a metamaterial structured with metallic inclusions. It is implemented a formalism based on the Maxwell-Garnett approach in order to describe the effective refraction index of the metamaterial accounting for the geometry of the nanoparticles and the nature of excited local field modes. It is shown that these modes correspond to surface plasmon excitations. From the characterization of the metamaterial at the optical domain, it is investigated the potential of such medium to the construction of more compact refraction index sensors, with sensitivity values higher than the ones typically found in systems based exclusively on optical fibers.

Submitted by camilla martins (camillasmmartins@gmail.com) on 2017-03-27T14:29:41Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_CombinacaoAntenasDipolo.pdf: 4008395 bytes, checksum: 3c810793070b8581f27b77fe539d654a (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-03-28T13:03:34Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_CombinacaoAntenasDipolo.pdf: 4008395 bytes, checksum: 3c810793070b8581f27b77fe539d654a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-28T13:03:34Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_CombinacaoAntenasDipolo.pdf: 4008395 bytes, checksum: 3c810793070b8581f27b77fe539d654a (MD5) Previous issue date: 2015-12-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho é investigado teoricamente o efeito de nanoantenas cilíndricas de banda larga em um nanocircuito óptico plasmônico. O circuito é composto por uma nanoantena formada pela combinação de antenas dipolo e espira conectada a uma linha de transmissão óptica de dois fios, onde apenas o dipolo é conectado a linha. A análise numérica do nanocircuito é feita pelo Método dos Momentos linear (MoM), sendo os condutores cilíndricos de ouro modelados por uma dada impedância superficial. A análise é dividida em duas partes. Na primeira parte é discutido apenas a nanoantena isolada, onde são investigadas a impedância de entrada, distribuição de corrente, coeficiente de reflexão, largura de banda percentual e eficiência de radiação. Em seguida, na segunda parte, é analisado o casamento de impedância do nanocircuito, onde são apresentados resultados da variação da corrente, distribuição planar do campo próximo e o coeficiente de reflexão de tensão para diferentes parâmetros geométricos. Os resultados mostram que a espira inserida no circuito aumenta a largura de banda da nanoantena (com largura de banda de até 42%) e diminui, no geral, o coeficiente de reflexão de tensão do nanocircuito óptico (atingindo até -25dB). / In this work, it is theoretically investigated the effect of broadband cylindrical nanoantenna in a plasmonic optical nanocircuit. The circuit is composed of a nanoantenna formed by the combination of loop and dipole antennas that is connected to a twowire optical transmission line in which only the electric dipole is connected to the line. The numerical analysis of the nanocircuit is done by the linear Method of Moments (MoM), where gold cylindrical conductors are modeled with a given surface impedance. The analysis is divided into two parts. In the first part, only the isolated nanoantenna is discussed, where the values of input impedance, current distribution, reflection coefficient, percentage bandwidth and radiated efficiency are investigated. Then, in the second part, the impedance matching of the nanocircuit is analyzed, presenting the results of current variation, planar distribution of the near field and the voltage reflection coefficient for different geometrical parameters. The results show that the loop inserted into the circuit increases the bandwidth of nanoantenna (with bandwidth of up to 42%) and decreases the overall voltage reflection coefficient of the optical nanocircuit (reaching up to -25dB).

Neste trabalho, investigamos o comportamento da emissão de fotoluminescência (PL) e a evolução estrutural de diferentes sistemas de nanopartículas em função dos parâmetros utilizados em sua obtenção. O mecanismo básico de emissão de PL desses sistemas torna possível enquadrálos em dois grupos básicos. No primeiro caso (Ge implantado em SiO2 e Si implantado em Si3N4), a origem da PL emitida é devido à presença de centros de defeitos radiativos localizados majoritariamente na interface das nanopartículas com a matriz. No segundo (Tb e Eu implantados em SiO2), a PL tem sua origem em transições eletrônicas de níveis atômicos dos íons de Terras Raras implantados. Para o sistema de nanopartículas de Ge imersas em SiO2, íons de Ge foram implantados com uma energia de 120 keV em um filme de SiO2 de 320 nm de espessura, mantido a uma temperatura constante entre RT e 350 ℃. A fluência implantada foi de 0,3 a 2,2 x 1016 Ge/cm². Posteriormente, as amostras foram submetidas a um tratamento térmico a 900 ℃ em uma atmosfera de N2 por 15 a 120 min, para a formação das nanopartículas bem como a passivação dos defeitos presentes no óxido, produzidos durante a implantação. Como consequência, duas bandas de PL foram observadas, uma centrada em 310 nm e a outra, com uma intensidade de PL muito superior à primeira, em 390 nm. Dentre as diferentes combinações de fluência e temperatura de implantação e tempo de recozimento, foi observado que a maior intensidade de PL obtida foi das amostras implantadas a 350 ℃ com 1,2 x 1016 Ge/cm² e recozidas por 2 h. Nessas condições, a intensidade de PL obtida foi cerca de 4,5 vezes superior a resultados publicados anteriormente. Medidas de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) revelaram que, nessas condições, foram formadas nanopartículas com um tamanho médio menor que as obtidas através da implantação a temperatura ambiente RT. Medidas de espectroscopia por retroespalhamento de Rutherford (RBS) evidenciam que os átomos de Ge implantados não difundem significativamente para as interfaces, apesar do recozimento a alta temperatura ao qual as amostras foram submetidas, no entanto, é observado um pequeno estreitamento no perfil de concentração, devido à nucleação das nanopartículas durante o recozimento. Com relação ao sistema de Si em Si3N4, íons de Si foram implantados em um filme de Si3N4 de 340 nm de espessura, com uma energia de 170 keV, com os substratos mantidos a uma temperatura constante entre RT e 400 ℃. A fluência implantada variou de 0,5 a 2,0 x 1017 Si/cm². Posteriormente, as amostras foram submetidas a tratamentos térmicos em uma faixa de temperaturas de 350 a 900 ℃, em diferentes atmosferas (N2, Argônio e forming gas) e por tempos que variaram de 15 a 120 min. A intensidade máxima de PL foi obtida para amostras implantadas com 1 x 1017 Si/cm² a 200 ℃ e recozidas a 475 ℃ por tempos de 30 a 120 min. Os resultados das medidas de TEM indicam a presença de nanopartículas de Si amorfo em toda a extensão do filme. No que diz respeito ao sistema de Terras Raras (Tb e Eu) implantados em SiO2, os íons foram introduzidos na matriz pela implantação realizada a uma energia de 100 keV e uma fluência de 3 x 1015 íons/cm², mantendo a temperatura do substrato entre RT e 350 ℃. Mesmo em amostras como implantadas (sem recozimento) foi observada uma intensa emissão de PL. Medidas de TEM revelaram a formação de nanopartículas para as amostras implantadas a quente. Posteriormente, as amostras foram tratadas termicamente por 1 h em atmosferas de N2, O2 e argônio em uma faixa de temperaturas de 500 a 800 ℃. Medidas de PL mostram que a temperatura de recozimento ideal é 500 ℃ para ambos os tipos de íons implantados. Para o Tb, a melhor temperatura de implantação foi 200 ℃, e a atmosfera de recozimento não influiu nos resultados observados. Para o Eu, a temperatura de implantação não teve papel significativo na PL após os recozimentos. Todavia, a atmosfera de recozimento teve um papel chave. Amostras implantadas em N2 apresentaram uma larga banda de emissão de PL (de 370 a 840 nm). Para amostras recozidas em O2, uma larga banda de emissão na região do azul-verde foi observada, junto com linhas de emissão na região do vermelho. Medidas de PL a baixas temperaturas revelaram a influência da temperatura da amostra na intensidade da PL. / In the present work, we have studied the photoluminescence (PL) emission and the structural properties of two kinds of systems. In the first one (Ge implanted in SiO2 and Si implanted in Si3N4), the PL has its origin in radiative states localized mainly on the interface between the nanoparticles and the matrix. In the second one (Tb and Eu implanted into SiO2), the PL has its origin in the electronic transitions of the atomic energy levels of the implanted rare-earth ions. For the Ge in SiO2 system, Ge was implanted in a 320 nm SiO2 film with an energy of 120 keV and at temperatures ranging from RT up to 600 ℃. The implanted fluence was varied from 0.3 up to 2.2 x 1016 Ge/cm². In order to create the nanostructures, a 900 ℃ anneal was performed with times ranging from 15 to 120 min. As a consequence, two PL bands were observed, one at 305 nm and the second one with a much higher yield at 385 nm. From the different combinations of implanted fluence, implantation temperature and annealing time, we have observed that the most intense PL yield was obtained when the implantation temperature was of 350 ℃, the implanted fluence of 1.2 x 1016 Ge/cm² and the annealing time of 2 h. Under these conditions, the obtained PL yield was 4.5 times larger than the ones obtained at RT implantation. Transmission electron microscopy (TEM) observations indicate that under these conditions, smaller nanocrystals were obtained in comparison with the ones implanted at RT. The RBS results show that the Ge atoms do not diffuse significantly, despite the high temperature of annealing that the sample was submitted. However, a narrowing of the Ge distribution was observed as a result of the clustering process. Concerning the Si in Si3N4 system, the Si excess was introduced in a 340 nm thick Si3N4 matrix by a 170 keV implantation, performed at different temperatures, with fluences of 0.5 to 2 x 1017 Si/cm². The annealing temperature was varied between 350 and 900 ℃ in order to form the Si precipitates. PL measurements show the existence of two superimposed bands centered around 760 and 900 nm. The maximum PL yield was obtained at the following conditions: fluence of 1 x 1017 Si/cm², implantation temperature of 200 ℃, annealing temperature of 475 ℃. TEM observations show the formation of amorphous Si nanoclusters and their evolution with the annealing temperature. Concerning rare-earth ions (Tb and Eu) implanted in SiO2, the ions were introduced in the matrix by a 100 keV implantation performed at different temperatures, with a fluence of 3 x 1015 ions/cm². The as-implanted samples already present a strong PL emission, even before the thermal treatments. Also, nanoparticles were formed during the hot implantation process without further annealing, as revealed by TEM measurements. The annealing was performed for 1 h in atmospheres of N2, O2 or Ar, with temperatures that varied between 500 and 800 ℃. PL measurements show that the optimal annealing temperature is 500 ℃ for both types of ions. For Tb, the optimal implantation temperature was 200 ℃, and the annealing atmosphere did not influenced on the final results. For Eu, the implantation temperature did not play a significant influence in the PL after the thermal annealing. However, the annealing atmosphere played a key role. Samples annealed in N2 presented a broad PL band, ranging from 370 up to 840 nm. For samples annealed in O2, a broad PL band in the blue-green region was observed, together with emission lines in the red region of the spectra. Low temperature PL measurements show the influence of the sample temperature on the PL intensity.

A possibilidade produzir hidrogênio (H2) a partir da quebra da molécula da água, usando a radiação solar, foi descoberta ha mais de 40 anos e nas ultimas décadas tem recebido grande atenção científica. A síntese de semicondutores nanoestruturados representam um avanço no uso como fotocatalisadores para a produção de H2 a partir da quebra da molécula da água, devido a alta área superficial. Dos semicondutores nanoestruturados desenvolvidos, o TiO2 apresenta grande interesse por se tratar de um material abundante, barato e altamente estável quimicamente. Por outro lado, o TiO2 apresenta uma atividade fotocatalítica limitada devido ao seu alto band gap (~3,2 eV), relativamente alto, e a rápida recombinação do par elétron-buraco gerado pela radiação UV. Neste sentido, a adição de nanopartículas (NPs) de Au ao TiO2 aparece como uma solução viável para aumentar a eficiência do semicondutor na reação de water splitting (WS). Os mecanismos envolvidos no aumento de eficiência na produção de H2 devido as inserção de NPs de Au ainda não estão totalmente entendidos. Atualmente existem dois modelos que descrevem o fenômeno: i) o Au atua como um "reservatório" para os fotoelétrons promovidos pelo processo de transferência de carga do semicondutor quando excitados com radiação UV, fazendo com que as reações de fotocatalíticas de geração de H2 ocorram na superfície das NPs de Au e ii) as NPs de Au apresentam ressonância de plasmon de superfície “injetando” elétrons na banda de condução (BC) do TiO2, assim aumentando a quantidade de elétrons disponíveis para formação do H2, fazendo com que a reação de produção de H2 ocorra na superfície do semicondutor. Neste trabalho são apresentados resultados inéditos da produção e caracterização nanotubos de TiO2 (NTs de TiO2) modificados com Au e utilizados como fotocatalisadores para a produção de H2 a partir do processo de WS. A discussão está centrada na modificação das propriedades do TiO2 através da adição de NPs de Au na estrutura e na superfície, através de dois métodos: i) implantação iônica e ii) sputtering. Os resultados relacionam a atividade fotocatalítica na produção de H2. dos fotocatalisadores em função da posição das NPs de Au. / The possibility to produce hydrogen (H2) from the water splitting using solar radiation, was discovered for more than 40 years and in recent decades has received great scientific attention. The synthesis of nanostructured semiconductor represent an advancement in use as photocatalysts for the production of H2 from the splitting of the water, due to high surface area. Developed nanostructured semiconductors, TiO2 has a great interest in the case of a material abundant, inexpensive and high chemical stability. On the other hand, has a low efficiency TiO2photocatalyst for the H2 production due to its high band gap (~ 3.2 eV) and the rapid recombinant electron-hole pair generated by UV radiation. In this sense, the addition of Au nanoparticles (NPs) to TiO2 appears as a viable solution to increase the efficiency of reaction in the semiconductor water splitting (WS). The mechanisms involved in increased efficiency in H2 because the insertion of Au NPs are not yet fully understood. Currently, there are two models that describe the phenomenon: i) the Au acts as a "reservoir" for the photoemission process promoted by the charge transfer of the semiconductor when excited with UV radiation, causing the reactions of photocatalytic H2generation occur in NPs Au surface and ii) Au NPs surface plasmon resonance "pumping" electrons in the TiO2conduction band (CB), thus increasing the amount of electrons available for the formation of H2, making the reaction H2 production occurs in the semiconductor surface. This work presents the results of the production and characterization of TiO2 nanotubes (TiO2TNs) Au-modified and used as photocatalysts for the H2 production by WS. The discussion is focused on modifying the properties of NTs by the addition of Au NPs in the TiO2 structure or surface by means of two methods: i) ion implantation and ii) sputtering, and comparing its photocatalytic activity influences the position of the NPs in the Au H2 production.