In this thesis, we investigate the electronic structure and transport properties of topologically trivial and non-trivial cylindrical quantum dots (QDs) defined by further confining InAs1-xBix/AlSb quantum wells (QWs). First we predict that common III-V InAs0.85Bi0.15/AlSb QWs can become 2D topological insulators (TIs) for well thicknesses dc > 6.9 nm with a topologically non-trivial gap of about 30 meV (> kBT), which can enable room temperature TI applications. Furthermore, we investigate the cylindrical QDs defined from these Bi-based wells by additional confinement, both in the topologically trivial (d < dc) and non-trivial (d > dc) regimes. Surprisingly, we find that topologically trivial and non-trivial QDs have similar transport properties in stark contrast with their 2D counterparts (i.e., a strip). More specifically, through detailed calculations, which involve an analytical solution of the quantum-dot eigenvalue problem, we demonstrate that both trivial and non-trivial cylindrical QDs possess edge-like states, i.e., helical spin-angular-momentum-locked quantum states protected against non-magnetic elastic scattering. Interestingly, our trivial QDs exhibit these geometrically robust helical states, similarly to topologically non-trivial QDs, over a wide range of system parameters (e.g., dot radius). We also calculate the circulating currents for the topologically trivial and non-trivial QDs and find no substantial differences. However, we note that ordinary III-V or II-VI cylindrical QDs (i.e., QDs not formed from a BHZ model + confinement) do not feature robust edge-like helical states. We further consider topologically trivial and non-trivial QDs with four edge-like states and calculate their two-terminal conductance G via a standard Green-function approach. For both trivial and non-trivial QDs we find that G shows a double-peak resonance at 2e2/h as a function of the dot radius R and gate voltage Vg controlling the dot energy levels. On the other hand, both trivial and non-trivial QDs can have edge-like and bulk state Kramers pairs coexisting at the same energy within the bulk part of their discrete spectra. In this case, G displays a single-peak resonance at 2e2/h as the four levels (two edge states and two bulk states now) become degenerate at some particular parameter values R = Rc and Vg = Vgc for both topologically trivial and non-trivial QDs. We also extend our investigation to HgTe-based QDs and find similar results. / Nesta tese investigamos a estrutura eletrônica e as propriedades de transporte de pontos quânticos cilíndricos topologicamente triviais e não-triviais, definidos por confinamento de poços quânticos (QWs) InAs1-xBix/AlSb. Primeiramente, nós prevemos que os QWs usuais baseados em InAs1-xBix/AlSb podem se tornar isolantes topológicos 2D para largura de poço dc > 6.9 nm, com um gap topologicamente não-trivial de aproximadamente 30 meV (> kBT), o que pode permitir aplicações em temperatura ambiente. Além disso, investigamos pontos quânticos cilíndricos definidos a partir de confinamento desses poços contendo Bi, em ambos os regimes trivial (d < dc) e não-trivial (d > dc). Surpreendentemente, descobrimos que os pontos quânticos topologicamente triviais e não triviais têm propriedades de transporte semelhantes, um resultado em grande contraste com as suas versões semiinfinitas, como por exemplo uma fita. Mais especificamente, através de cálculos detalhados, que envolvem uma solução analítica do problema de autovalores dos pontos quânticos, demonstramos que pontos quânticos cilíndricos triviais e não-triviais possuem estados de borda semelhantes, isto é, estados quânticos helicoidais protegidos contra espalhamento elástico não magnético. Curiosamente, nossos pontos quânticos triviais exibem estados helicoidais geometricamente robustos, similarmente aos pontos quânticos topologicamente não-triviais, em uma ampla faixa de parâmetros do sistema, como por exemplo, o raio do ponto quântico. Nós também calculamos as correntes circulantes para os pontos quânticos topologicamente triviais e não-triviais e não encontramos diferenças substanciais entre elas. No entanto, notamos que os pontos quânticos cilíndricos feitos de materiais ordinários III-V ou II-VI (isto é, pontos quânticos não descritos pelo Hamiltoniano BHZ com confinamento) não apresentam estados helicoidais robustos. Consideramos ainda pontos quânticos triviais e não-triviais com quatro estados de borda e calculamos sua condutância entre dois terminais G através de uma abordagem padrão das funções de Green. Para os pontos quânticos triviais e não-triviais, encontramos que G mostra uma ressonância de pico duplo em 2e2/h como função do raio do ponto quantico R e da tensão Vg que controla os níveis de energia do ponto quântico. Por outro lado, tanto os pontos quânticos triviais como os não-triviais podem ter pares de Kramers localizados na borda (edge) e em todo seu volume (bulk) coexistindo em uma mesma janela de energia na região dos estados de valência. Nesse caso, G exibe uma ressonância de pico único em 2e2/h, já que os quatro níveis (dois estados de borda e dois estados de volume bulk) se tornam degenerados para alguns valores de parâmetros particulares R = Rc and Vg = Vgc, em pontos quânticos topologicamente triviais e não triviais. Nós também estendemos nossa investigação para os pontos quanticos de HgTe onde encontramos resultados similares.

Orientador: Mônica Alonso Cotta / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T22:17:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 NietoGonzalez_Luis_D.pdf: 3428571 bytes, checksum: 13775c720d8ebcf8c855b532ae715b49 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Neste trabalho estudamos os mecanismos de crescimento durante a epitaxia por feixe químico de nanoestruturas III-V baseadas no sistema InAs/InP. Particularmente, foram estudados nanofios e ilhas de InAs sobre uma camada buffer InP(001) e nanofios de InAs sobre uma matriz de InGaAs/InP (com mesmo parâmetro de rede). Apresentaremos, nesta tese, as diferenças e similaridades destes sistemas quanto a condições de crescimento, distribuição de tamanho, forma e os efeitos de volume da camada de InGaAs sobre as nanoestruturas de InAs quando comparadas ao sistema InAs/InP. Nossa escolha do InGaAs/InP como camada buffer para a nucleação dos fios de InAs, foi feita porque facilitaria a utilização deste sistema em diversas aplicações, proporcionando maior flexibilidade no desenho dos dispositivos. Por outro lado, este material abre a possibilidade de controlar as características das nanoestruturas através das propriedades de bulk e superficiais da liga ternária InGaAs. Além disso, ligas ternárias podem exibir efeitos de volume que afetam suas propriedades superficiais. Estes fenômenos podem afetar a nucleação dos fios quânticos e por isso foram objeto de nosso estudo. Para isso utilizamos e correlacionamos medidas in situ de difração de elétrons de alta energia (RHEED), microscopia de força atômica (AFM) e eletrônica de transmissão (TEM), com os resultados obtidos por difração de raios X com incidência rasante (GIXD). Verificamos, deste modo, tanto a influência das condições de crescimento, como o comportamento da relaxação da energia elástica nas nanoestruturas. Com todos estes resultados mostramos como acontece a evolução da deformação nos nanofios e pontos quânticos de InAs/InP e como acontecem as transições de forma entre estes dois tipos de nanoestruturas, em função das condições de crescimento e tipo de superfície do substrato utilizado. Mostramos, também que a introdução de um composto ternário (InGaAs) entre o InAs e o InP não afeta significativamente a forma e tamanho das nanoestruturas quando comparadas ao caso InAs/InP. Em particular, a interdifusão gerada por variações locais da composição na camada buffer em nanofios de InAs pode ser minimizada através de mudanças nas condições de crescimento do InGaAs / Abstract: In this work we study the growth mechanisms of III-V nanostructures by chemical beam epitaxy (CBE) based on the InAs/InP materials system. Particularly, nanowires and nanodots of InAs on InP (001) and InAs nanowires on InGaAs/InP (lattice matched) buffer layers were studied. The differences and similarities of these systems are presented in this text, as a function of growth conditions, size distribution, as well as the bulk effects of the InGaAs layer on InAs nanostructures when compared to the InAs/InP system. Our choice of InGaAs/InP buffer layer for InAs nanowire nucleation was due to the possible use of this system in many applications, providing greater flexibility in device design. Furthermore, this material opens up the possibility of controlling nanostructures characteristics through bulk and surface properties of the InGaAs ternary alloy. In other hand, ternary alloys may present volume effects that affect their surface properties. These phenomena can affect quantum wires nucleation and thus became one of the subjects of our study. With these goals in mind, we have correlated in situ high-energy electrons diffraction (RHEED) measurements, atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM) images with the results obtained by grazing incidence X-ray diffraction (GIXD). We report here the influence of the growth conditions on nanostructure shape as well as the behavior of elastic energy relaxation within the nanostructures. Our results show how the evolution of deformation within InAs/InP nanowires and quantum dots occur and how the shape transition between these two types of nanostructures depend on the growth conditions and the substrate surface type used. We also show that the introduction of a ternary compound (InGaAs) between InAs and InP does not significantly affect the shape and size of nanostructures as compared to the InAs / InP case. In particular, the interdifusion generated in InAs nanowires by local variations in the buffer layer composition can be minimized through changes in InGaAs growth conditions / Doutorado / Estrutura de Líquidos e Sólidos; Cristalografia / Doutor em Ciências

Orientador: Fernando Iikawa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-06T18:02:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Godoy_MarcioPeronFrancode_D.pdf: 4057709 bytes, checksum: 0df1e56082150d4109dcf891f05d4da6 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Neste trabalho estudamos as propriedade estruturais e ópticas de pontos quânticos auto-organizados de InP crescidos sobre o substrato de GaAs. Esta estrutura apresenta o alinhamento de bandas tipo-II na interface, confinando o elétron no ponto quântico, enquanto o buraco mantém-se na barreira, próximo à interface devido à interação coulombiana atrativa. As amostras foram crescidas por epitaxia de feixe químico (CBE) no modo Stranskii-Krastanov. Os pontos quânticos apresentam raio médio de 25 nm e grande dispersão de altura (1-5 nm) e ocorre a relaxação parcial do parâmetro de rede, chegando a 2 %, em pontos quânticos superficiais. Do ponto de vista de propriedades ópticas, a fotoluminescência de pontos quânticos superficiais exibe uma eficiente emissão óptica, devido a baixa velocidade de recombinação dos estados superficiais do InP, e reflete a densidade e distribuição bimodal de tamanhos. Além disso, sua emissão óptica em função da intensidade de excitação exibe comportamento diverso em comparação com pontos quânticos cobertos com uma camada de GaAs. Em pontos quânticos cobertos, determinamos a energia de ativação térmica, que varia de 6 a 8 meV, e é associada à energia de ligação do éxciton ou energia de ionização do buraco. O decaimento temporal da luminescência de pontos quânticos é de 1,2 ns, um tempo relativamente curto para um ponto quântico tipo-II. A análise das propriedades magneto-ópticas em pontos quânticos individuais, inédita em QDs tipo-II, permitiu verificar que o fator-g do éxciton é praticamente constante, independentemente do tamanho dos QDs, devido ao fato dos buracos estarem levemente ligados. Por fim, mostramos a versatilidade do sistema acoplando-o a um poço quântico de InGaAs. Este acoplamento introduz mudanças na superposição das funções de onda do par elétron-buraco que permitem a manipulação do tempo de decaimento da luminescência e da energia de ligação excitônica / Abstract: We have investigated structural and optical properties of InP self-assembled quantum dots grown on GaAs substrate. This system presents a type-II band lineup where only electrons are confined in the InP quantum dots. The InP/GaAs quantum dots were grown by chemical beam epitaxy in the Stranskii-Krastanov mode. Our quantum dots present a mean radius of 25 nm and large height dispersion, 1-5 nm, and a partial relieve of the strain up to 2 % is observed. The photoluminescence spectra of surface quantum dots show an efficient optical emission, which is attributed to the low surface recombination velocity in InP. We observed a bimodal dispersion of the dots size distribution, giving rise to two distinct emission bands. A remarkable result is the relatively large blue shift of the emission band from uncapped samples as compared to those for capped dots. In capped quantum dots, we obtained the thermal activation energy, from 6 to 8 meV, which is associated to the exciton binding energy or hole ionization energy. The observed luminescence decay time is about 1.2 ns, relatively short decay time for type II system. We investigated magneto-optical properties using single-dot spectroscopy. The values of the exciton g factor obtained for a large number of single InP/GaAs dots are mainly constant independent of the emission energy and, therefore, of the quantum dot size. The result is attributed to the weak confinement of the holes in InP/GaAs QDs. We have also investigated structures where InP quantum dots are coupled to a InGaAs quantum well. This system permits the manipulation of the wave function overlap between electron-hole in order to control the optical emission decay time and exciton binding energy / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Gilberto Medeiros Ribeiro / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-09T10:48:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GonzalezHernandez_FelixGuillermo_D.pdf: 12837677 bytes, checksum: 70e82c96ea88ab1de4fa785d908c9af6 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Medidas experimentais foram realizadas para determinar as escalas de tempo de relaxação e decoerência do spin eletrônico como bit quântico. A estrutura dos estados de exciton foi investigada com o objetivo de servir como estados intermediários na manipulação do spin. O sistema utilizado para o estudo de decoerência é um ensemble de pontos quânticos auto-formados semicondutores. Dois temas servem como eixos centrais dos três experimentos desenvolvidos nesta tese: a polarização de spin e o fator g de Landé. No primeiro experimento, ao incluir o efeito do reservatório térmico, foi obtido o grau de polarização do spin (populações dos níveis up e down) para as camadas s e p. O desdobramento dos níveis orbitais em subníveis de spin permitiu obter a magnitude do fator g para estes estados. Mudando a orientação do campo magnético, foram observadas as anisotropias do tensor g e a sua relação com os detalhes do potencial de confinamento. Estas características permitiram inferir o tempo de relaxação T1. A medida da polarização resolvida no tempo foi realizada através de es-pectroscopia óptica de bombeio-prova. Os pulsos de luz e o campo magnético transverso permitem que uma polarização líquida seja inicializada. A rotação de Kerr permitiu observar oscilações desta polarização em torno do campo magnético com freqüência determinada pelo fator g. A perda da coerência de fase do spin resulta no decaimento destas oscilações numa escala de tempo T2. Medidas realizadas num ensemble de spins implicam em que o tempo de decoerência encontra-se limitado pela escala de defasagem T¤2< T2. Uma técnica semelhante à refocalização por spin-eco em experimentos de ressonância magnética nuclear, foi aplicada utilizando pulsos de laser para reverter a defasagem do ensemble. Tanto a possibilidade de medir o sinal de eco como o tempo de decoerência foram medidos como função da temperatura. A estrutura de níveis de exciton e a sua distribuição no ensemble foi estudada também com espectroscopia de bombeio-prova. Foram observados batimentos quânticos entre os níveis de estrutura fina do exciton para sis-temas 0D e 2D limitados pelo tempo de recombinação / Abstract: Experimental measurements were carried out to determine the scales of the relaxation and decoherence time for the electronic spin as quantum bit. The structure of the exciton states was investigated with the objective to serve as intermediate states in the spin manipulation. The system studied for the implementation of the quantum computation is an ensemble of self-assembled semiconductor quantum dots. Two subjects serve as central axes of the three experiments developed in this thesis: the spin polarization and the Landé g-factor. In the first experiment, when including the effect of the thermal reservoir, the degree of spin polarization (populations for the up and down levels) was measured for layers s and p. The splitting of the orbital levels in spin sublevels allowed to get the magnitude of factor g for these states. Changing the orientation of the magnetic field, the g-tensor anisotropies and its relation with the details of the confinement potential had been observed. These characteristics had allowed to infer the relaxation time T1. The time resolved polarization measurement was carried out by optical pump-probe spectroscopy. The pulses of light and the transverse magnetic field allow the initialization of a net polarization. The Kerr rotation allowed to observe oscillations of this polarization around the magnetic field with frequency determined for factor g. The loss of the spin phase coherence results in the decay of these oscillations in a time scale T2. Measurements carried out in an ensemble of spins imply that the decoherence time is limited by the ensemble dephasing time T¤2 < T2. A technique similar to the spin-echo refocalization in nuclear magnetic resonance experiments using laser pulses was applied to reverse the ensemble dephasing. The possibility to measure the echo signal and the decoherence time was measured as a function of the temperature. The structure of exciton levels and its distribution in ensemble were also studied with pump-probe spectroscopy. Quantum beats were observed be-tween the fine structure exciton levels for 0D and 2D systems, yet limited by the recombination time / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Orientador: Fernando Iikawa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-21T01:34:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Girardi_TiagoIllipronti_M.pdf: 2091533 bytes, checksum: 1e5e58f3f5149c97c47c1bf44b7aa186 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Neste trabalho, estudamos o efeito de diferentes condições de interface de InP/GaAs nas propriedades ópticas de pontos quânticos auto-organizados, crescidos por epitaxia de feixe químico, no modo Stranskii-Krastanov. Espera-se que os pontos quânticos de InP/GaAs apresentem alinhamento de bandas do tipo II, e somente os elétrons ficam confinados, enquanto os buracos ficam localizados nas camadas de GaAs em volta do ponto quântico, atraídos pelo elétron. No entanto, devido ao efeito de mistura de átomos nas interfaces o perfil de potencial nas interfaces pode ser alterado significativamente, afetando, com isso, as propriedades ópticas dos pontos quânticos. Foram estudadas amostras com as seguintes condições de interface entre a camada de InP e as camadas de GaAs: inclusão ou não de uma camada de InGaP em uma ou nas duas interfaces. O InGaP gera uma barreira para ambos os tipos de portadores de carga em uma junção tanto com o GaAs como InP e evita a difusa de As das camadas de GaAs para a de InP. Através de medidas de fotoluminescência resolvida no tempo, observamos a variação do tempo de decaimento da emissão óptica associada aos pontos quânticos de acordo com as diferentes condições de interface. Foi observado um tempo curto de decaimento em amostras sem a inclusão de InGaP e com a inclusão apenas na interface superior, enquanto foi observado um tempo longo quando incluímos camadas de InGaP em ambas as interfaces. O tempo de decaimento curto é incompatível com o alinhamento de bandas do tipo II, que deveria separar espacialmente o elétron do buraco. A partir desses resultados e estudos anteriores a esse trabalho, pudemos concluir que o tempo curto se deve à mistura de átomos nas regiões de ambas as interfaces, gerando ligas que localizam os portadores próximos um ao outro. O tempo longo na amostra contendo InGaP nas duas interfaces é atribuído à separação espacial do elétron e do buraco. O efeito de mistura de átomos nas interfaces, neste caso, não forma uma liga na interface que localize os dois tipos de portadores próximos um ao outro. Isso pode ser uma alternativa de preparação de pontos quânticos de InP/GaAs onde se mantém separados espacialmente o elétron e o buraco / Abstract: We studied the effect of different interface conditions on the optical properties of InP/GaAs self-assembled quantum dots grown by chemical beam epitaxy in the Stranskii-Krastanov mode. InP/GaAs quantum dots is expected to present type II band alignment, and only electrons are confined, whereas the holes are localized in the GaAs layers around the quantum dot, attracted by the electron. However, due to the atomic intermixing effect in the interface the potential profile can be strongly changed, affecting the optical properties of the quantum dots. We studied samples with the following conditions at the interfaces between the InP layer and GaAs layers: the inclusion, or the lack of, a InGaP layer at one of or both interfaces. InGaP generates a barrier for both types of carriers in a junction with GaAs and InP, and avoid the diffusion of As from the GaAs layers to the InP one. Using time-resolved photo-luminescence, we observed a change of the optical emission decay times associated to the quantum dots as the interface condition is changed. We observed a short decay lifetime in samples without InGaP layers and with the inclusion in the top interface only, whereas we observed a long decay time when we included InGaP layers in both interfaces. The short decay lifetime is incompatible with the type II band alignment, where the electron and the hole should be spatially separated. Using these and other previous results, we concluded that the short decay lifetime is due to the atomic intermixing in both interfaces regions, forming alloys that localize the carriers near each other. The long lifetime observed for sample containing InGaP in both interfaces is attributed to the large electron-hole spatial separation. In this case intermixing effects at the interfaces do not form a potential well to localize the carries near each other / Mestrado / Física / Mestre em Física

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5844.pdf: 11430873 bytes, checksum: b80a5790a9ebf6ae63ff48e52968ae60 (MD5) Previous issue date: 2014-02-21 / Universidade Federal de Sao Carlos / O crescimento e caracterização de sistemas de heteroestruturas semicondutoras quasi-unidimensionais têm atraído grande interesse devido à sua potencial de aplicação tecnológica, como foto-detectores, dispositivos opto-eletrônicos assim como seu para o processamento de informação quântica e aplicações em fotônica. O objetivo desta tese é o estudo das propriedades de transporte eletrônico e de spin em sistemas semicondutores quasi-unidimensionais, especificamente trataremos de nanofios (NWs) homogêneos, NWs acoplados, NWs do tipo plano-geminado (TP), diodos de tunelamento ressonante (ETD) e cadeias de pontos quânticos (QDCS). Escolhemos o método k-p, particularmente o Hamiltoniano de Luttinger, para descrever os efeitos de confinamento e tensão biaxial. Este sugeriu uma modulação do caráter do estado fundamental que, complementada com a dinâmica fônons fornecidas pelas simulações da Dinâmica Molecular (MD), permitiu a descrição da modulação da mobilidade de buracos por emissão ou absorção de fônons. Em relação ao sistema de NWs acoplado,estudamos, através do método da matriz de transferência (TMM), as propriedades de transporte de elétrons e spin sob a interação de spin-órbita (SOI) de Eashba, localizada na região de acoplamento entre fios. Foram consideradas várias configurações de tensões de gate (Vg) aplicadas nos fios. Desse modo, compreendemos a modulação do transporte de spin quando esse é projetado no direção-z através da combinação do SOI e das dimensionalidades do sistema. Da mesma forma, a combinação de SOI e da Vg aplicada deu origem a modulação da polarização, quando o spin medido é projetado na mesma direção em que o SOI de Eashba atua, a direção y. Usando o TMM, exploramos as propriedades de transporte de um DBS e o efeito de uma resistência em série com o intuito de provar a natureza da biestabilidade das curvas características I V bem como o aumento de sua área com temperatura, resultados fornecidos por experimentos. O modelo indicou que aumentando da resistência pela diminuição sa temperatura aumenta a área biestável. A presença de uma hetero-junção adicional ao sistema induz uma densidade de carga nas suas interfaces. De acordo com esta configuração, a queda de tensão total do ETDS muda, podendo ser confirmada experimentalmente. A formação dos peculiares campos de deformação e sua influência sobre a estrutura eletrônicas e propriedades de transporte em superredes de TP foi estudada sistematicamente. Assim, as propriedades de transporte, de ambos os elétrons e buracos, pode ser sintonizada eficientemente, mesmo no caso de elétrons r em sistemas de blenda de zinco, contrastando com a prevista transparência de elétrons r em superredes de semicondutores III-V heteroestruturados. Além disso, constatamos que a probabilidade de transmissão para buracos da banda de valência também poderia ser efetivamente modificada através de uma tensão externa.Por fim, colaboradores sintetizaram com sucesso sistemas de QDCs de InGaAs através da epitaxia de feixe molecular e engenharia de tensão. Um comportamento anisotrópico da condutância com a temperatura foi observado em QDCs com diferentes concentrações de dopagem, medida realizada ao longo e entre os QDCs. O modelo teórico 1D de hoppíng desenvolvido mostrou que a presença de estados OD modela a resposta anisotrópica da condutância neste sistemas. / The growth and characterization of semiconductor quasi-one-dimensional heterostructure systems have attracted increasing interest due to their potential technological application, like photo-detectors, optoelectronic devices and their promising features for quantum information processing and photonic applications. The goal of this thesis is the study of electronic and spin transport properties on quasi-one-dimensional semiconductor systems; specifically, homogenous nanowires (NWs), coupled NW s, twin-plane (TP) NWs, resonant tunneling diodes (RTDs), and quantum dot chains (QDCs). The k-p method, in particular the Luttinger Hamiltonian, was chosen to describe the effects of biaxial confinement and strain. This suggested a modulation of the ground state character that, complemented with the phonon dynamics provided by Molecular Dynamics (MD) simulations, allowed the description of the hole mobility modulation by either phonon emission or absorption. Regarding the coupled NW s system, the electron and spin transport properties affected by a Rashba spin-orbit interaction (SOI) at the joined region were unveiled through the Transfer Matrix Method (TMM). Various configurations of gate voltages (Vg), applied on the wire structure, were considered. We were able to understand the modulation of the spin transport projected in the z-direction trough the combination of the SOI and the system dimensionalities. Likewise, the combination of SOI and applied Vg gave rise to a modulation of the polarization, when the measured spin is projected in the same direction where the Rashba SOI acts, the y-direction. The transport properties of a DBS and the effect of a resistance in series was explored within the TMM to prove the nature of a bistability of the I V characteristics and its enhanced area with temperature provided by the experiment. The model indicates that increasing the resistente by decreasing the temperature, the bistable area enhances. The presence of an additional heterojunction induces a sheet charge at its interfaces. Under this configuration, the total voltage drop of the RTD changes and can be confirmed experimentally.The formation of the peculiar strain fields and their influence on the electronic structure and transport properties of a TP superlattice was systematically studied. Hence, the transport properties of both electrons and holes could be effectively tuned even in the case of T-electrons of zincblende systems, contrasting to the predicted transparency of T-electrons in heterolayered III-V semiconductor superlattices. Also, the transmission probability for holes at valence band could also be effectively modified by applying an external stress. Finally, using molecular-beam-epitaxy and skillful strain engineering, systems of In-GaAs QDCs were successfully synthesized by collaborators. The QDCs with different doping concentrations showed an anisotropic behavior of the conductance, measured along and across the QDCs, with temperature. The theoretical ID hopping model developed found that the presence of OD states shapes the anisotropic response of the conductance in this system.

FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / O conhecimento teórico e experimental acumulado nas últimas décadas sobre pontos quânticos semicondutores (PQs) impulsiona o surgimento de um grande número de propostas atuais de utilizá-los em sistemas híbridos. A habilidade de controlar suas propriedades optoeletrônicas, bem como o domínio de sofisticadas técnicas de fabricação, tornaram-os candidatos ideais para formar junções com supercondutores (SCs), cujas características individuais são também notáveis. Essas junções podem ser simples, com um único PQ acoplado a um SC, ou múltiplas: a conexão de dois terminais SCs através de um PQ (junção tipo Josephson) e a junção de dois PQs através de um SC. Esta última forma um separador de pares de Cooper, dispositivo sugerido como fonte de partículas emaranhadas, que depende fundamentalmente da ocorrência de reflexão de Andreev cruzada (CAR) nas interfaces da junção. Junções de PQs com SCs e com supercondutores topológicos também tem sido propostas em sistemas de dois níveis formando qubits para a computação quântica trivial e topológica. Embora o estudo das junções PQ-SC esteja em evidência atualmente, a revisão da literatura mostra que a análise do regime transiente foi pouco explorada. Por isso, abordamos neste trabalho o transporte de cargas em uma junção PQ-SC-PQ com resolução temporal. Utilizando técnicas de função de Green de não-equilíbrio, particularmente, o formalismo de Kadanoff-Baym, escrevemos um conjunto de equações diferenciais acopladas, solucionado numericamente. Analisando as oscilações de Rabi que surgem na evolução temporal da corrente elétrica e das ocupações dos PQs, fomos capazes de identificar assinaturas de mecanismos de espalhamento através da junção, isto é, o tunelamento direto e a CAR. Adicionalmente, propusemos a expansão deste sistema pela sua inserção na estrutura de um fotodiodo, aplicando luz laser sobre um dos PQs. Os resultados mostram que ocorre a separação dos níveis opticamente excitados em dubletos de Autler-Townes, para acoplamentos fracos entre os PQs. Consequentemente, é observada a ocorrência de CAR, mediada pelo laser aplicado, através dos níveis que compõe o dubleto. Os resultados tem dependência também com a tensão fonte-dreno aplicada ao dispositivo, que pode estar no limite de bias alta (HB) ou zero (ZB). Este é o primeiro trabalho a analisar a separação de pares de Cooper assistida por fótons em uma junção PQ-SC-PQ, em regime de não-equilíbrio. Embora os resultados experimentais ainda sejam escassos, a inclusão de um SC em um fotodiodo de PQs híbrido permite novos mecanismos de formação de fotocorrente, abrindo novas possibilidades de aplicações desse sistema. / The theoretical and experimental knowledge accumulated in the last decades on semiconductors quantum dots (QDs) impulses the emergence of many current proposals for using them in hybrid systems. The ability to control their optoelectronic properties, as well as the control of fabrication techniques, made them the perfect candidates to compose junctions with superconductors (SCs), whose individual characteristics are also remarkable. These junctions can be simple, with a single QD coupled to a SC, or multiple: a connection of two superconducting terminals through a QD (a Josephson-like junction) and the junction of two QDs through a SC. The latter is known as a Cooper-pairs splitter, a device suggested as a source of entangled particles, for which is required the occurrence of crossed Andreev reflection (CAR) on the interfaces of the junction. Junctions of QDs with SCs and with topological SCs have also been proposed in two-level systems as qubits for both trivial and topological quantum computation. Despite the study of QD-SC junctions being currently in evidence, the literature review shows that the analysis of transient regime was little explored. Therefore, we address in this work the topic of time-dependent charge transport in a QD-SC-QD junction. By using non-equilibrium Green functions techniques, particularly, the Kadanoff-Baym formalism, we write down a set of coupled differential equations, which is numerically solved. Examining the Rabi oscillations that appears on the time evolution of electric current and QDs occupations, we were able to identify signatures of the scattering mechanisms through out the junction, i. e., direct tunnelling and CAR. Additionally, we propose to use this system as a photodiode, with the aid of a laser beam over one of the QDs. The results show the splitting of the optically excited states in Autler- Townes doublets, for a weak coupling between the QDs. Hence, CAR mediated by the applied laser was observed through the energy levels that compose the doublet. The results depend also with the source-drain potential applied to the device, which can be high bias (HB) or zero bias (ZB). The present work is the first to analyse the splitting of Cooper pairs assisted by photons in a QD-SC-QD junction, in nonequilibrium regime. Although the experimental results are still sparse, the inclusion of a SC in a QD hybrid photodiode allows new mechanisms of photocurrent formation, creating possibilities in future applications. / Tese (Doutorado)

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The SNABP [40SiO2.30Na2CO3.1Al2O3.25B2O3.PbO2 (mol%)] glass system, nanostructured with PbS Quantum Dots (QDs) and/or doped with Er3+ ions, was successfully synthesized by the Fusion Method, when it was subjected to appropriate thermal annealing. The glass transition temperatures (Tg) were obtained by Differential Thermal Analyze (DTA), in which it was possible to define a suitable temperature to be used in the thermal annealing of the synthesized samples. As results of these thermal annealing, the formation and growth of PbS QDs have occurred in the glass environment. The optical properties of samples were investigated by Optical Absorption (OA), Photoluminescence (PL), and Photoluminescence with Temporal Resolution (PLTR). Moreover, the Atomic Force Microscopy (AFM) and X-Ray Diffractometry were employed in study of morphological and structural properties of samples, respectively. The size dispersions of PbS QDs were determined from OA spectra. Once using both the Method and OA data, it was also possible to estimate the average diameters of these nanoparticles, which grow with the increase in annealing time. The characteristic transitions of Er3+ ions were clearly identified in OA spectra. In addition, it was observed that the increase in annealing time of samples had provoked amplification in the overlapping between PL bands of both the PbS QDs and Er3+ ions, as well as with the absorption 4I15/2 -> 4I13/2 of these ions. Thus, the PLTR measurements have confirmed the decrease in lifetime of the 4I13/2 level (of Er3+ ions), with the amplification in the overlapping of PL emissions. Finally, as a main result of this work, it was proved that the SNABP glass system, nanostructured with PbS QDs and doped with Er3+ ions, displays to be quite favorable to the radiative energy transfer process (from PbS QDs to Er3+ ions), as well as the occurrence of stimulated emission of 4I13/2 level. / O sistema vítreo SNABP [40SiO2.30Na2CO3.1Al2O3.25B2O3.PbO2 (mol%)] nanoestruturado com pontos quânticos (PQs) de PbS e/ou dopados com íons Er3+ foi sintetizado com sucesso pelo Método de Fusão, quando submetido a tratamentos térmicos apropriados. As temperaturas de transição vítrea (Tg) foram obtidas por Análise Térmica Diferencial (DTA), em que foi possível definir uma temperatura adequada para ser utilizada nos tratamentos térmicos das amostras sintetizadas. Como resultados desses tratamentos térmicos, a formação e crescimento dos PQs de PbS ocorreram no ambiente vítreo. As propriedades ópticas das amostras foram investigadas por Absorção Óptica (AO), Fotoluminescência (PL) e Fotoluminescência com Resolução Temporal (PLRT). Além disso, a Microscopia de Força Atômica (AFM) e Difratometria de Raios-X (DRX) foram empregadas no estudo das propriedades morfológicas e estruturais das amostras, respectivamente. As dispersões de tamanho dos PQs de PbS foram determinadas a partir dos espectros de AO. Com a utilização do Método e os dados de AO, foi também possível estimar os diâmetros médios dessas nanopartículas, que aumentaram com o aumento no tempo de tratamento térmico. As transições características dos íons Er3+ foram claramente identificadas nos espectros de AO. Em adição, foi observado que o aumento no tempo de tratamento das amostras provocou um aumento na sobreposição entre as bandas de PL dos PQs de PbS e dos íons Er3+, bem como com a absorção 4I15/2 -> 4I13/2 desses íons. Assim, as medidas de PLRT confirmaram o decréscimo no tempo de vida do nível 4I13/2 (dos íons Er3+) com o aumento dessa sobreposição das emissões de PL. Finalmente, como principal resultado deste trabalho, foi comprovado que o sistema vítreo SNABP nanoestruturado com PQs de PbS dopados com íons Er3+ mostrou-se bastante favorável ao processo de transferência de energia radiativa (dos PQs de PbS para os íons Er3+), bem como a ocorrência da emissão estimulada do nível 4I13/2. / Mestre em Física