Orientador: Newton Cesario Frateschi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-10T18:33:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mialichi_JoseRoberto_M.pdf: 1964796 bytes, checksum: 5579bc0b247e2f473578a1a155424ebf (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Esta dissertação de mestrado apresenta estudos teóricos sobre o cálculo de ganho óptico em nanoestruturas baseadas no sistema InGaAs/InGaAsP. A partir da teoria de perturbação dependente do tempo, cuja perturbação é a interação de uma onda eletromagnética-matéria, e da teoria de Kane para a estrutura de bandas de semicondutores que relaciona a matriz de transição envolvida nos processos radiativos com parâmetros experimentais desta mesma banda, desenvolvemos todo o formalismo teórico deste cálculo do ganho óptico, além de criarmos uma ferramenta computacional para a aplicação do mesmo às nanoestruturas semicondutoras, tais como poço, fio e ponto quântico. Curvas espectrais de ganho são geradas para cada caso e as análises comparativas destas curvas demonstram que nanofios e nanopontos propiciam condições de alto ganho óptico devido ao confinamento de suas dimensões e, ainda melhor, controle espectral. O efeito da não-homogeneidade das dimensões dos pontos também é considerado. Subseqüentemente, aplicamos os resultados do cálculo de ganho óptico para calcular a corrente de limiar de lasers de semicondutores de faces clivadas a partir das equações de taxa de fótons e portadores na cavidade com a injeção de corrente elétrica. Um estudo é realizado para a otimização do comprimento da cavidade para cada um dos meios de amplificação de luz: bulk, poços, fios e pontos quânticos. Por fim, descrevemos nossos primeiros resultados para o crescimento epitaxial, através do método de crescimento epitaxial de feixe químico (CBE), dos componentes básicos de uma estrutura de laser de semicondutor. Fabricamos e caracterizamos um diodo de junção de InP e poços quânticos de InGaAs/InGaAsP. Amostras epitaxiais de lasers de poços quânticos obtidas externamente foram processadas em lasers de diversos comprimentos de cavidade e caracterizadas. Especialmente, apresentamos curvas de corrente de limiar em função do comprimento da cavidade do laser em concordância qualitativa com nossas simulações, estabelecendo o primeiro passo para o refinamento de nossa ferramenta computacional / Abstract: This master¿s dissertation presents the theoretical studies on the calculation of optical gain in nanostructures based on the InGaAs/InGaAsP/InP system. From the time dependent perturbation theory, where perturbation is the interaction of an electromagnetic wave with matter, and the Kane¿s theory for semiconductors band structure, relating the transition matrix involved in the radioactive processes with experimental parameters of the same band structure, we have developed a theoretical formalism for the optical gain calculation. We then developed a simulation tool to apply to semiconductors structures, such as well, wire, and quantum dot. Spectral gain curves are generated for each case and comparative analyses of these curves demonstrates that quantum wires and quantum dots provide higher optical gain due to its confined dimensions and, even better, much spectral control. The effects of non-homogeneous dot size distribution are also considered. Subsequently, we have applied the simulation tool to calculate the threshold current in semiconductor lasers with cleaved faces (edge emitting lasers), based on the rate equations for photons and carriers in the optical resonant cavity with the injection of electrical current. A study is performed for the optimization of the length of the cavity for each of active region medium: bulk, wells, wires, and quantum dots. Subsequently, we have described our first results for the epitaxial growth by chemical beam epitaxy (CBE) of the basic components of a semiconductor laser: InP junction diode and quantum wells of InGaAs/InGaAsP. Finally, epitaxial samples of quantum well lasers obtained externally were processed in lasers of several resonant cavity lengths and characterized. We have especially presented curves of threshold current as a function of the length of the resonant cavity of the laser in qualitative agreement with our simulations, establishing the first step for refining of our simulation tool / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

Orientador: Maria José Santos Pompeu Brasil / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-25T18:43:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_GracielyEliasdos_M.pdf: 14017242 bytes, checksum: 867481942924d736e60e234410d86ccd (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho estudamos o efeito de acoplamento eletrônico entre duas estruturas quânticas com uma separação variável entre elas. Utilizamos como base para este estudo um poço quântico de GaAs/ AlGaAs e pontos quânticos de GaSb/ AlGaAs. Uma característica particular desta estrutura é que os pontos quânticos GaSb/ AlGaAs apresentam interfaces do tipo-li, onde apenas os buracos ficam confinados nos pontos de GaSb, enquanto os elétrons permanecem na barreira de AlGaAs próximos ao pontos quânticos devido a atração Coulombiana. De maneira geral, um poço de GaAs com barreiras de AlGaAs possui interface do tipo-I, confinando ambos os portadores, elétrons e buracos. No entanto, escolhendo uma espessura apropriada para o poço, é possível projet ar uma estrutura onde os portadores fiquem confinados em camadas distintas: elétrons no poço de GaAs e buracos nos pontos de GaSb. Nosso trabalho se baseia em estruturas deste tipo, incluindo amostras com separações diferentes entres o poço e os pontos quânticos. Estas amostras serviram de base para estudarmos o acoplamento entre as funções de onda dos portadores separados espacialmente. As amostras estudadas foram crescidas por Epitaxia de Feixe Molecular (MBE) com diferentes espessuras da camada de separação (10, 5 e 2 nm) entre o poço e os pontos, incluindo uma amostra de referência que contém apenas um plano de pontos quânticos. Realizamos um estudo sistemático das propriedades ópticas destas estruturas através de medidas de fotoluminescência, analisando parâmetros como a temperatura da amostra, a potência e a energia da excitação, além de medidas com resolução temporal. Nossos resultados mostraram que a espessura da camada de separação é um parâmetro crucial que afeta criticamente o overlap entre as funções de onda e o tempo de vida dos portadores na amostra. Este tipo de controle pode ser interessante para estudar questões de física fundamental e para projetar dispositivos onde seja necessário controlar parâmetros como a eficiência óptica e o tempo de vida dos portadores / Abstract: In this work we studied the electronic coupling between two quantum structures with a varying space-layer between them. The base for this study is a GaAs/ AlGaAs QW and GaSb/ AlGaAs QDs. One particular feature of this structure is that the QD system exhibits a type-II interface where only holes are confined in the GaSb dot , whereas the electrons remain in the AlGaAs barrier surrounding the dot due to their Coulombic attraction. The GaAs/ AlGaAs QW exhibits type-I interface, confining both carriers, electrons and holes. However, by choosing an appropriate thickness for the QW it is possible to design a structure in order to localize both carriers in different structures: electrons on GaAs QW and holes in GaSb QDs. These samples are the base to study the carrier wavefunctions when they are spatially separated. Samples were grown by Molecular Beam Epitaxy with different space-layer thicknesses (10, 5 and 2 nm) separating the GaSb dot layer and the GaAs well, including a reference sample consisting solely of a GaSb dot layer. We studied systematically the optical properties of this system performing photoluminescence measurements, by changing parameters as sample temperature, power and energy excitation as well time resolved measurements. Our results shown that the space layer thickness is a crucial parameter that strongly affects the spatial localization of the carriers in our structure. It can, therefore, be used to control the optical properties of the structure, such as carrier wavefunction overlap and radiative recombination time. The results show this overlap control may be interesting for fundamental physics studies and to design devices where controlling optical efficiency and carrier lifetimes are essential / Mestrado / Física / Mestra em Física

Orientadores: Daniela Zanchet, Marcelo Knobel / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica "Gleb Wataghin" / Made available in DSpace on 2018-08-03T19:11:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vargas_JoseMarcelo_M.pdf: 9306443 bytes, checksum: 0dc4a6d8ce6115ff27fe98eb8a0010d5 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Não informado / Abstract: Not informed. / Mestrado / Física / Mestre em Física

Orientador: Daniel Mario Ugarte / Texto em portugues e ingles / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica "Gleb Wataghin" / Made available in DSpace on 2018-07-25T22:28:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Zanchet_Daniela_D.pdf: 5037988 bytes, checksum: bef1e9588bee39650294c4f0b7f39e7c (MD5) Previous issue date: 1999 / Resumo: Partículas nanometricas (1-100 nm) têm atraído grande atenção devido às novas propriedades físicas e químicas originadas pela sua elevada relação superfície/volume. Elas podem ser usadas com tijolos de construção na obtenção de sólidos nanoestruturados ideais (cluster-assembled materials ¿ CAMs), o que envolve basicamente três etapas: sintese, caracterização das propriedades individuais das nanopartículas passivadas. Nosso objetivo foi a implementação de uma metodologia para obtenção de CAMs, em particular trabalhamos com nanopartículas de ouro passivadas com tióis, sua caracterização estrutural e formação de supercristais auto-organizados. Modificações estruturais, com presença de estruturas não-cristalográficas (Multiple Twinned Particles (MTPs): decaedro e icosaedro) e contração nas distâncias interatômicas foram estudadas em função do tamanho das partículas (diâmetro médio entre 2 e 4 nm). O primeiro tópico foi estudado por Difração de Raios X (XRD) e Microscopia Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução (HRTEM) enquanto que o segundo assunto foi abordado por Extended X-Ray Absorption Fine Structure (EXAFAS). O difratograma de raios X de umaamostra formada por nanopartículas contém informações superpostas sobre estrutura e tamanho das partículas e requer um método especial para analise, baseado num conjunto de perfils de difração teóricos, que inclui distribuição de tamanhos e diferentes estruturas (fcc, MTPs). Os resultados indicam que todas as amostras contém uma alta proporção de nanopartículas imperfeitas ou com estrutura complexa, que foi confirmado por imagens de HRTEM. Mesmo assim, uma dependência estrutural com o tamanho prevista teoricamente pôde ser claramente identificada neste sistema. Com relação à contração nas distâncias interatômicas, a análise de EXAFS revelou uma dependência suave com o tamanho médio das nanopartículas, e na três amostras o valor encontrado foi menor que 1%. A análise também revelou uma ligação metal-ligante curta, sugerindo uma interação forte na superfície; essa interação levaria à compensação parcial da contração esperada em clusters livres. Portanto ela pode ser suficientemente importante mesmo para partículas formadas por 200-1000 átomos (» 2-3nm em diâmetro), e não deve ser desconsiderada na associação de propriedades com tamanho das partículas. Em supercristais auto-organizados de nanopartículas, estudamos a cristalização em filmes finos submetidos a um tratamento térmico por Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM). Em particular, estudos em supercristais formados por poucas camadas (1 a 3) revelaram um empacotamento anômalo: expansão da primeira camada sobre o substrato e ocupação de sítios de simetria dois pelas nanopartículas da Segunda camada (regiões ordenadas de micrômetros); a terceira camada recupera o empacotamento convencional compacto. Esse empilhamento anômalo pôde ser entendido com base num modelo teórico simples, baseado em forças de van der Waals e evidenciou a importância das interações com o substrato no ordenamento das nanopaartículas / Abstract: Nanometer-sized particles (1-100 nm) have attracted great interest since their high surface-to-volume ratio may lead to novel physical and chemical attributes. In particular, they can be used as building blocks to produce ideal nanostructured solids (cluster-assembled materials ¿ CAMs), which involves three steps: synthesis, characterization of individual properties and nanoparticles assembly. One of the most interesting classes of CAMs is the self-assembled supercrystals. The aim of this work was to carry out in somehow all these steps, and for that we have mainly dealt with thiol-passivated gold nanoparticles, their structural characterization and self-assembly in 2D or 3D arrangements. Structural modifications, such as the existence of non-crystallographic structures (Multiple Twined Particles (MTPs): decahedron and icosahedron) and inter-atomic distance contraction, have been studied as function of particle size (mean particle diameter from 2.0 ¿ 4.1 nm). The former subject was addressed by X-Ray Diffraction (XRD) and High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) while the latter was studied by Extended X-Ray Absorption Fine Structure (EXAFS). Nanoparticle diffraction pattern contains superposed information on structure and particle size that requires a special fitting procedure, including a set of theoretical diffraction profiles (Debye-Scherrer formula) considering size dispersion and different structures (fcc, MTPs). The results indicate a high proportion of imperfect or more complex nanoparticle structures, fact that was confirmed by HRTEM imaging. Nevertheless, a clear structural tendency with particle size, expected theoretically, could be found in this system. Concerning nearest-neighbor distance determination, a slight contraction was less than 1%. The analysis also revealed a short metal-ligand bond, which suggests a rather strong surface interaction. We have inferred that the ligand interaction partially compensates the expected lattice contraction for free clusters. Our study indicates that the surface interaction may be still significant enough to generate structural modifications even in particles formed by 200 ¿ 1000 atoms (» 2-3 nm in diameter) and cannot be neglected when analysing particle properties in this size range. As for the self-assembled nanoparticle films composed by a few layers (1 to 3 layers) have shown an anomalous packing: expansion of the first layers lying on amorphous carbon substrate and an ordered second layer sitting on two-fold saddle points (regions of micrometer size); the third layer recovers the conventional close-packed staking. This anomalous packing could be explained by means of a simple theoretical model based on dispersional forces and it pointed out the importance of the substrate interaction on the particle arrangement / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Neste trabalho, foram desenvolvidos filmes finos de composição SrTi1-xFexO3 (0,00≤ x ≤0,150) nanoestruturados visando sua aplicação como sensor de gás ozônio. Os filmes finos foram depositados através da técnica de deposição por feixe de elétrons (EBD) cujo alvo utilizado foram pastilhas obtidas a partir do pó cristalino SrTi1-xFexO3 (0,00≤ x ≤0,150) sintetizadas através do método dos precursores poliméricos. Foi observado a partir das analises termogravimétrica e térmica diferencial que a incorporação de ferro no sistema diminui a temperatura de queima do pó precursor, sugerindo que o ferro atua como catalisador na cadeia polimérica. Os filmes depositados por DFE apresentam-se no estado amorfo sendo necessário um tratamento térmico ex-situ para que a fase cristalina desejada seja obtida. Todos os filmes apresentaram uma boa aderência aos diferentes tipos de substratos utilizados. Após o processo de cristalização, os filmes depositados sobre diferentes substratos foram caracterizados através das técnicas de difração de raios-X, espectroscopia UV-Vis e microscopia de força atômica (MFA). Foi observado que um aumento na temperatura de tratamento térmico dos filmes leva a um aumento no grau de cristalização e a uma diminuição no valor da energia de gap, calculada a partir dos espectros UV-VIS. A analise por MFA mostrou que a mudança do tipo de substrato utilizado não influencia as propriedades estruturais e microestruturais dos filmes. Através da realização de medidas de resistência elétrica, observou-se que os filmes cristalinos submetidos a um tratamento térmico ex-situ a 500oC por 4 horas apresentaram uma boa sensibilidade ao gás ozônio sendo possível detectar a presença de até 75 ppb de ozônio. / In this study, nanostructured thin films of SrTi1-xFexO3 (0.00 ≤ x ≤ 0.150) compositions were prepared looking their application as ozone gas sensor. The thin films were deposited using the technique of electron beam deposition (EBD) whose targets were obtained from polycrystalline SrTi1-xFexO3 (0.00 ≤ x ≤ 0.150) powders synthesized by the polymeric precursor method. It was observed from the thermogravimetric and differential thermal analysis that the incorporation of iron in the system decreases the calcination temperature of the precursor powders, suggesting that the iron acts as a catalyst in the polymer chain. The as obtained films deposited by EBD present an amorphous state being necessary a ex-situ heat treatment to obtain the desired crystalline phase. All films showed good adhesion to different substrates. After the crystallization process, the films deposited on different substrates were characterized through X-ray diffraction, UV-Vis spectroscopy and atomic force microscopy (AFM) trechniques. It was observed that an increase in the annealing temperature of the film results in an increase in the degree of crystallization and a decrease in the value of band gap energy, which was calculated from the UV-VIS spectra. The AFM analysis showed that changing the type of substrate does not influence the structural properties and microstructure of the films. By carrying out measurements of electrical resistance, it was observed that the crystalline films subjected to a ex-situ heat treatment at 500oC for 4 hours showed a good sensitivity to the ozone gas being possible to detect the presence of up to 75 ppb ozone.

Na primeira parte desta dissertação, nos concentramos na utilização de uma abordagem baseada na remoção oxidativa controlada de sementes/núcleos promovida pela adição de HCl na síntese poliol de nanofios de prata (Ag). Isto possibilitou um controle fino sobre a espessura dos nanofios gerados na faixa de de 65 a 765 nm, no qual as larguras obtidos apresentaram um aumento linear em função do aumento na concentração de HCl utilizado na reacção. Embora a largura também se mostrou dependente de outros parâmetros experimentais, tais como a concentração de AgNO3 e polivinilpirrolidona (PVP) e temperatura, remoção oxidativa promovida por HCl possibilitou o controle sobre uma faixa de tamanhos mais ampla. Também investigamos as propriedades ópticas dos nanofios de Ag em função do seu tamanho e sua aplicabilidade como substratos para detecção atraves do fenômeno de espalhamento Raman intensificado por superfície (SERS). Na segunda parte deste trabalho, nanotubos de Ag-Au, Ag-Pt e Ag-Pd contendo morfologias de superfície controladas foram obtidos através da reação de substituicão galvânica entre os nanofios de Ag e íons AuCl4-, PtCl62-, e PdCl42-, respectivamente. Nesse caso, superfícies lisas foram obtidas a 100 oC enquanto superfícies rugosas foram observadas a temperatura ambiente. Mostramos ainda que superfícies lisas também puderam ser obtidas usando-se uma solução saturada de NaCl como solvente durante a reação galvânica. Na terceira parte deste trabalho, investigamos o efeito da excitação da ressonância plasmônica de superfície (SPR) nos nanofios de Ag sobre a atividade catalítica frente a redução do 4-nitrofenol. Contudo, nossos resultados mostraram um queda da atividade catalítica pela excitação SPR, mostrando que a excitação do SPR também pode levar a efeitos detrimentais sobre a atividade catalítica dependendo do mecanismo de reação estudado e natureza de intermediários na etapa determinante da velocidade de reação. Como as propriedades de nanoestruturas metálicas são fortemente dependentes de tamanho, forma e composição, acreditamos que os resultados apresentados aqui relatados podem ter implicações importantes para o design de nanomateriais unidimensionais com características/propriedades desejadas para aplicações em diversas áreas, incluindo óptica e catalise. / In the first part of this thesis, we focused on the utilization of an approach based on controlled oxidative etching for the removal of seeds/nuclei promoted by the addition of HCl in the polyol synthesis of silver nanowires (Ag). This allowed a precise control over the width of the Ag nanowires in the 65-765 nm range. In this case, the widths showed a linear increase with the HCl concentration employed in the reaction. While the width was also dependent on other experimental parameters such as the concentration of AgNO3 and polyvinylpyrrolidone (PVP) as well as the temperature, oxidative etching promoted by HCl enabled the control over a wider range of sizes. We also investigated the optical properties of Ag nanowires as a function of their size and their applications as substrates for surface enhanced Raman scattering (SERS). In the second part of this work, Ag-Au, Ag-Pt, and Ag-Pd nanotubes displaying controlled surface morphologies were obtained by galvanic replacement reaction between the Ag nanowires and AuCl4-, PtCl62-, e PdCl42- ions, respectively. In this case, while smooth surfaces were obtained at 100 °C, rough surfaces were observed at room temperature. We also showed that smooth surfaces could be obtained by using a saturated solution of NaCl as the solvent during the galvanic reaction. Finally, in the third part of this study, we investigated the effect of surface plasmon resonance (SPR) excitation on Ag nanowires over the catalytic activity towards the 4-nitrophenol reduction. However, our results indicated a drop in catalytic activity with SPR excitation, showing that the SPR excitation can also lead to detrimental effects on the catalytic activity depending on the nature of the chemical reaction mechanism and intermediates in the rate-determining step of the reaction. As properties in metallic nanostructures are strongly dependent on size, shape and composition, we believe that the results reported here may have important implications for the design of one-dimensional nanomaterials design with desired features/properties for applications in various fields that include optics and catalysis.

Neste trabalho utilizamos métodos computacionais ab initio, baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT), para simular em nível atomístico propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas de nanoestruturas de grafeno. Estudamos nanoflocos de grafeno (GNFs) em estado pristino e GNFs com defeitos intrínsecos (monovacância, divacância e Stone-Wales). Escolhemos GNFs com diferentes terminações e formas, e estudamos também empilhamentos duplos - biflocos - em diferentes composições. Empregamos dois enfoques diferentes de DFT, a aproximação de gradiente generalizado simples no nível teórico de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE), e PBE híbrida (PBEh), incorporando uma fração de troca de Hartree-Fock. Todos os cálculos foram realizados através do código all-electron AIMS, incluindo correções de van der Waals. Nossos GNFs foram escolhidos com simetrias específicas: D2h, D3h e D6h, e com diferentes bordas, armchair (AC), zigue-zague (ZZ) e misturas das duas. Os flocos hexagonais D6h apresentam um gap de energia e nao apresentam spin, enquanto flocos perfeitos com bordas zigue-zague e mistas apresentam spin intrínseco. Esse spin não nulo é devido à diferença no numero de átomos entre uma e outra subrede do grafeno (Liebs imbalance). Defeitos em materiais de carbono sao frequentes, e tem sido estudados experimental e teoricamente. Aqui, estudamos a monovaçancia, através de modelos de cluster e supercélulas, e obtemos para esse defeito o momento magnético de = 2B, (B ´e o magneton de Bohr). Mostramos que as diferenças entre resultados anteriores são oriundas do erro de auto-interação presente na DFT simples, amenizado através do uso de PBEh. Através da mesma metodologia estudamos a interação de nanoestruturas de grafeno com moléculas de água, focalizando em propriedades estruturais. A grafite é um material hidrofóbico, mas a nanoestrutura poderia favorecer a interação com a água. Obtemos que pequenos agregados de água são adsorvidos na superfície de GNFs e biflocos, entretanto a inclusão desses agregados na região interna dos biflocos é altamente desfavorável. Assim podemos esperar que essas nanoestruturas empilhadas sejam também hidrofóbicas. / In this work, computational ab initio methods based on density functional theory (DFT) are used to simulate on an atomistic level the structural, electronic and magnetic properties of graphene nanostructures. We study pristine graphene nanoflakes (GNFs), and GNFs with intrinsic defects (monovacancy, divacancy, Stone-Wales). We design GNFs with different terminations and shapes and also studied stacked forms -biflakes- in different compositions. We employed two DFT approaches, plain generalized gradient approximation in the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) level of the theory, and hybrid PBE (PBEh) incorporating a fraction of Hartree-Fock exchange. All calculations were performed with the all-electron code AIMS, including van der Waals corrections. Our GNFs were chosen from three symmetry groups: D2h, D3h and D6h, and with different edges, armchair (AC), zigzag (ZZ) and a mixture of both. Our chosen D6h- hexagonal flakes present an energy gap and no spin, while perfect trigonal zigzag and mixed edges GNFs have an intrinsic spin. This non-zero spin is due to the graphene sublattice imbalance (Liebs imbalance). Defects are common in carbon materials, and have been experimentally and theoretically studied in graphene. Here, the single vacancy in graphene was studied, by cluster and supercell approaches, finding that the vacancy induces a magnetic moment = 2B (Bohr magneton). We show that conflicting results for the magnetic moment coming from theoretical studies come from the self-interaction error present in plain PBE, cured through the use of PBEh. Using the same methodology we studied the interaction of carbon nanostructures with water molecules, focusing on structural properties. Graphite is a hydrophobic material but nanostructuring could favor the interaction with water. We obtained that small water groups are adsorbed on the surface of GNFs and biflakes, however the inclusion of these groups in the internal region of biflakes is highly unfavorable, thus we can expect these stacked nanostructures to be also hydrophobic.

Segundo dados da Organização Mundial de Saúde, até o ano de 2030 a diabetes será a sétima enfermidade causadora de morte no mundo. A diabetes se caracteriza pela variação do nível de glicose no sangue dada ingestão de alimentos ou realização de certas tarefas. Além disso, já é sabido pela comunidade científica atual que células cancerígenas possuem metabolismo diferente quando comparadas a células normais, consumindo uma maior quantidade de açúcar devido a essa anormalidade. No presente trabalho serão apresentados, basicamente, dois tipos de biossensores que possuem grande potencial para tornarem-se monitores contínuos de glicose. Ambos os biossensores utilizam a enzima glicose oxidase como catalisador específico da reação de oxidação do carboidrato. O primeiro apresenta estrutura em escala micrométrica, tem por objetivo a quantificação de glicose em solução em ambiente extracelular e se baseia no sistema EGFET (Extended Gate Field Effect Transistor) com substrato de Fluorine Tin Oxide (FTO). Além do mais, foram utilizados dois protocolos de imobilização da glicose oxidase: quitosana (com uma janela de detecção de 1 a 5mM de glicose) e glutaraldeído (com janela de detecção de 0 a 15 mM de glicose). O segundo apresenta estrutura em escala nanométrica, tem por objetivo a quantificação de glicose em ambiente intracelular e baseia-se no sistema de nanopipetas de quartzo. Com esse dispositivo foi possível estipular a concentração de glicose livre dentro de três linhas de células distintas: Fibroblastos humanos entre 0 e 2.8mM; MCF-7 maior que 4.7 mM; MDA-MB-231entre 3.6 e 4.5 mM. / According to the World Health Organization, until 2030 diabetes will be the 7th cause of death worldwide. This disease is characterized by variation on blood glucose levels due to ingestion of specific food and tasks performing. Moreover, it is already known that cancer cells have a different metabolism when compared to normal cells and these abnormal cells have a higher sugar intake due to this abnormality. This work will present, basically, two types of biosensors with great potential to become continuous glucose monitors. Both biosensors use the enzyme glucose oxidase as carbohydrate oxidation catalyzer. The first one presents a micro-metric structure and its goal is to quantify glucose concentration in an extracellular solution. This device is based in EGFET (Extended Gate Field Effect Transistor) system and uses FTO as substrate. Furthermore, two immobilization protocols were used to fix the enzyme to the FTO: chitosan (with final range of 1~5mM of glucose) and glutaraldehyde (with final range of 0~15mM of glucose). The second is a nano-structured biosensor based on nanopipette system and its goal is to quantify intracellular glucose concentration. With this device was possible to stipulate free glucose molecules inside different cell lines: between 0 and 2.8mM for human Fibroblasts; greater than 4.7 mM for MCF-7; and between 3.6 and 4.5 mM for MDA-MB-231.

This work investigates the compositional and nanostructural variability of celluloses isolated from plants and the impact of the variability in the production of cellulose nanocrystals. A variable set of cellulose isolated from plants were generated starting with a range of feedstocks (coconut fiber, sisal fiber, eucalyptus sawdust, pine sawdust, sugarcane rind and sugarcane pith), applying a range of cellulose isolation processes (acetossolv, liquid hot water, alkaline, and liquid hot water + alkaline) and adding commercial cellulose (eucalyptus kraft pulp, dissolving pulp, and microcrystalline cellulose) as reference materials. The nanostructural characteristics were evaluated by calorimetric thermoporometry, X-ray diffraction, and moisture sorption isotherms. Composition was evaluated by standard wet chemical analysis and insights on functional groups were obtained by infrared spectroscopy. The cellulose nanocrystals were produced by acid hydrolysis with sulfuric acid and characterized by atomic force microscopy and X-ray diffraction. The measured parameters of the isolated celluloses were spread, showing we could achieve a highly diverse set of substrates. Significant correlations between measured variables across the sample set, indicating possible unforeseen multivariate relations among cellulose features. For example, we could show that cellulose monolayer hydration is determined by both hemicelluloses content (compositional parameter) as well as cellulose crystal width (structural parameter). Cellulose nanocrystals were successfully produced, although in some cases such as for the acetossolv pulps the acid conditions were too aggressive and oxidized the substrates. Finally, some quantitative correlations were seen between the parameters of cellulose substrates and the resulting cellulose nanocrystals. These results supply the first hints about how the nanostructural variability of isolated cellulose can influence the cellulose nanocrystals produced from them. / Este trabalho investiga a variabilidade composicional e nanoestrutural de celuloses isoladas de plantas e o seu impacto na variabilidade na produção de nanocristais de celulose. Um conjunto variável de celuloses isoladas de plantas foi gerado a partir de uma série de matérias-primas (fibra de coco, sisal, serragem de eucalipto, serragem de pinheiro, casca de cana e miolo de cana), aplicando uma série de processos de isolamento de celulose (hidrotérmico, alcalino, hidrotérmico + alcalino e acetosolve) e adicionando celuloses comerciais (polpa kraft de eucalipto, polpa para dissolução e celulose microcristalina) como materiais de referência. As características nanoestruturais foram avaliadas por termoporometria calorimétrica, difração de raios X e isotermas de sorção de umidade. A composição foi avaliada por análise química húmida padrão e os conhecimentos sobre grupos funcionais foram obtidos por espectroscopia de infravermelhos. Os nanocristais de celulose foram produzidos por hidrólise ácida com ácido sulfúrico e caracterizados por microscopia de força atômica e difração de raios-X. Os parâmetros medidos das celuloses isoladas foram distribuídos, demonstrando que poderíamos alcançar um conjunto altamente diversificado de substratos. Correlações significativas entre as variáveis medidas foram observadas em todo o conjunto amostral, indicando possíveis relações multivariadas imprevistas entre as características da celulose. Por exemplo, poderíamos demonstrar que a monocamada de hidratação de celulose é determinada tanto pelo conteúdo de hemiceluloses (parâmetro de composição) quanto pela largura do cristal de celulose (parâmetro estrutural). Os nanocristais de celulose foram produzidos com sucesso, embora em alguns casos, como nas polpas acetosolve, as condições ácidas fossem muito agressivas e oxidassem os substratos. Finalmente, algumas correlações quantitativas foram observadas entre os parâmetros dos substratos de celulose e os nanocristais de celulose resultantes. Estes resultados fornecem as primeiras dicas sobre como a variabilidade nanoestrutural da celulose isolada pode influenciar os nanocristais de celulose produzidos a partir deles.

Orientador: Paulo Roberto Bueno / Banca: Assis Vicente Benedetti / Banca: Germano Tremiliosi Filho / Banca: Neyde Yukie Murakami Iha / Banca: Sixto Giménez Juliá / Resumo: Diferentes morfologias nanoestruturadas foram estudadas por Espectroscopia de Impedância visando ampliar as suas funcionalidades em células solares. As análises realizadas em células solares sensibilizadas por corante à base de nanotubos de ZnO são reportadas. Essas células exibiram uma alta eficiência para coleta dos elétrons ao longo dos nanotubos de ~64 μm de comprimento. A Espectroscopia de Impedância Eletroquímica, a análise de potencial de circuito aberto e de conversão dos fótons incidentes em corrente elétrica foram usados para estudar o transporte e o tempo de vida das cargas elétricas durante o processo de conversão de energia. Apesar de o fotoanodo ser relativamente extenso, o tempo de extração da carga foi muito mais rápido do que o observado para nanopartículas de TiO2 tradicionais aplicados a esse tipo de célula. A coleta rápida dos elétrons é de importância prática porque permite uma alternativa ao uso do par redox convencional ( ), uma vez que a dinâmica na intercepção do elétron é mais rápida ocasionando uma significativa redução de perda na fotocorrente. Em outra frente são relatadas as análises efetuadas em células à base de TiO2 recobertas com ZrO2 e que empregam Spiro-OMeTAD como molécula condutora de buracos. Filmes mesoporosos de TiO2 recobertos com ZrO2 foram utilizados como elétrodos ativos para aplicação em células solares do estado sólido, sendo que os dispositivos foram caracterizados por Espectroscopia de Impedância Eletroquímica. A técnica de deposição de camadas atômicas de ZrO2 foi usada com o intuito de passivar os estados de aprisionamento superficiais durante o funcionamento do dispositivo. Isso foi realizado mediante o recobrimento (precisão em Angström) dos filmes mesoporosos de TiO2 com óxido de zircônio. Foi possível verificar que o recobrimento produz um aumento no desempenho geral da ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Different nanostructured anode morphologies - aiming at extending the functionality in solar cells - had been studied by Electrochemical Impedance Spectroscopy. The analyses were carried out in dye-sensitized solar cells based on ordered arrays of polycrystalline ZnO nanotubes. These cells exhibit efficient electron collection over the entire photoanode of ~64 μm length. Electrochemical Impedance Spectroscopy, open circuit photovoltage decay and incident-photon-to-current efficiency spectra are used to quantify conductivity and lifetime. Although the photoanode used is relatively long, the extraction time was faster than in traditional photoanodes based on TiO2 nanoparticles. The fast collection of electrons is of practical importance; it allows an alternative to the use of the conventional redox electrolyte ( ), because electron-interception dynamics is faster, which reduces significantly the photocurrent loss. On the other hand, solid-state dye-sensitized solar cells based on TiO2/ZrO2 core/shell nanoparticles, using a hole transport molecule named Spiro-OMeTAD, were also characterized. The atomic layer deposition technique was used with the intention of passivating the TiO2 surface with ZrO2. It was observed that the coating enhances the general performance of the photoelectrochemical cell after two ZrO2 deposition cycles. The Electrochemical Impedance Spectroscopy measurements provided evidence that the ZrO2 coating reduces recombination losses at the TiO2/Spiro-OMeTAD interface. Besides, the technique showed that the ZrO2 coating reduces the inductive effect at low frequency, this reduction being attributed to the passivation of localized surface states. Finally, results on the study of the effect of the Spiro-OMeTAD concentration (5 to 25 %) in the fabrication of solar cells, are discussed. Variations in recombination and capacitance correlate well with the ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor