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A new methodology has been developed to model the viscoelastic behavior of solids using a general spectrum function. Not all materials can be modeled using simple Kelvin-Voigt (K-V) or Maxwell elements where the viscoelastic parameters are constants. There is a need for a general spectrum function that can be used to model the Lame' functions which constitute all properties of interest. Thus far, there is no method like the one presented in this study that can determine the moduli of viscoelastic materials. This study develops a methodology by which the time dependent properties of homogeneous and non-homogeneous materials may be modeled. Once the Lame' functions are determined, the Principle of Correspondence is applied to the elastic equations to determine the necessary properties. In uniaxial tension the time dependent strain, modulus, Poisson's ratio, and compliance are determined. The time dependent deflection is determined for beams in flexure. Where applicable, parameters determined from the analytical model are compared to the available experimental data. Good agreements are found between the analytical and experimental data sets.

Esta tese pode ser dividida em três partes que estudam aspectos diferentes das propriedades óticas de sistemas de nitretos do grupo-III na fase cúbica especificamente GaN, InGaN e AlGaN. As amostras foram crescidas pela técnica de epitaxia de feixes moleculares assistida por plasma sobre substratos de GaAs (001). As técnicas de caracterização ótica de fotoluminescência (PL), fotoluminescência de excitação (PLE), espectroscopia Raman e fotorefletância (PR) foram usadas para investigar estes três materiais. A técnica de Difração de raios X foi empregada em alguns dos estudos para correlacionar as propriedades óticas com as estruturais. O primeiro material estudado foi o c-GaN. Os espectros de PR mostram um sinal que interpretamos como uma transição banda a banda, a partir do qual é determinada a dependência com a temperatura do gap principal do c-GaN. Os resultados nos permitem estimar a energia de ligação do complexo formado por um éxciton ligado a um aceitador neutro. Além disso, a partir dos nossos resultados de PL e PLE são obtidos valores quantitativos para a energia do limiar de absorção e o parâmetro de alargamento. Também é observado um segundo limiar de absorção devido às inclusões da fase hexagonal. O estudo do c-GaN dopado com carbono mostrou como funciona o mecanismo de incorporação deste elemento. O carbono inicialmente entra nas vacâncias de N produzindo uma melhora significativa na qualidade cristalina do material. No entanto, para concentrações maiores, este começa a entrar nos interstícios e formar complexos de carbono, com a conseqüente perda na qualidade cristalina do material. O segundo sistema estudado foi o de heteroestruturas duplas de c-GaN/InGaN/GaN. Os resultados de PL mostram que à temperatura ambiente todas as amostras emitem entre 2,3 e 2,4 eV, independentemente da composição do InGaN. Medidas de raios X revelam uma fase rica em índio com x=0,56, a qual ocorre também em todas as amostras. Experimentos de fotoluminescência ressonante de excitação indicam que a fotoluminescência provém de estruturas tipo pontos quânticos na fase rica em índio. O estudo final envolveu múltiplos poços quânticos de AlGaN/GaN. Os espectros de PL e PR mostram características que podem ser claramente identificadas como forte recombinação radiativa acontecendo nas regiões dos poços de GaN. As energias de confinamento de portadores, medidas nos poços quânticos, estão em concordância com os resultados calculados usando o método kp a partir de um modelo de Kane de oito bandas assumindo interfaces ideais entre as barreiras e o poço. / This thesis can be divided into three parts that study different aspects of optical properties in the cubic group III-nitride semiconductor system, specifically GaN, InGaN, and AlGaN. The samples were grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on (001) GaAs substrates. The optical techniques of photoluminescence (PL), photoluminescence excitation spectroscopy (PLE), Raman spectroscopy, and photo reflectance (PR) were used to investigate the different materials. X-ray diffraction was employed in some of the studies to correlate the optical and structural properties. The first material studied was c-GaN. PR spectra show a feature that we interpret as a band-to-band transition. From this spectral feature the temperature dependence of the main c-GaN gap is determined. The results allow us to estimate the binding energy of the complex formed by an exciton bound to a neutral acceptor. Moreover, from our PL and PLE results, quantitative values for the absorption-edge energy and lifetime broadening are obtained. A secondary absorption-edge due to hexagonal inclusions is also observed. The carbon doped c-GaN study gave us some insight into the carbon incorporation mechanism. Carbon initially enters into N vacancies producing a marked improvement in the crystalline properties of the material. At higher concentrations, however, it begins to enter interstitially and form carbon complexes, with the consequence o f a decrease in crystalline quality. The second system studied consisted of c-GaN/InGaN/GaN double heterostructures. PL results show that the room temperature emission of ali samples is between 2.3 and 2.4 eV regardless of InGaN composition. X-ray diffraction measurements reveal an In-rich phase with x=0.56, also in all the samples. Resonant excitation experiments indicate that the photoluminescence stems from quantum-dotlike structures of the In-rich phase. The final study involved AlGaN/GaN multiple quantum wells. PL and PR spectra display features that can be clearly ascribed to strong radioactive recombination taking place in the GaN quantum well regions. The measured carrier confinement energies in the quantum wells are in good agreement with results of calculations carried out using an eight-band kp Kane model assuming ideal sharp barrier/well interfaces.

Neste trabalho apresentamos cálculos teóricos da resistividade longitudinal de um poço quântico quadrado duplo formado pela heteroestrutura semicondutora ln0.52Al0.48As / ln0.53Ga0.47As, considerando duas sub-bandas ocupadas e o desdobramento de spin causado pelo chamado efeito Rashba, que corresponde a um desdobramento de spin devido à ausência de simetria de inversão espacial na heteroestrutura. A descrição desse efeito é dado segundo o modelo de Kane 8x8, utilizando o método k p aliado à Aproximação da Função Envelope. Determinamos numericamente as constantes de acoplamento spin-órbita provenientes do modelo adotado, através de um procedimento de cálculo autoconsistente. Deduzimos então os níveis de energia da heteroestrutura na presença simultânea de um campo magnético e do efeito Rashba, e usamos esses níveis para o cálculo da resistividade longitudinal. Além disso, analisamos criticamente uma proposta teórica de dispositivo de spin baseado no efeito Rashba existente na literatura [KOGA, T . et al. Physical Review Letters, v.88, n°12, 2002], elucidando um equívoco conceitual nas hipóteses assumidas. / In this work we present theoretical calculations of the longitudinal resistivity of a double quantum well formed by the semiconducting heterostructure ln0.52Al0.48As / ln 0.53Ga0.47As, considering two occupied subbands and the spin splitting caused by the so-called Rashba effect, which corresponds to a spin splitting due to the absence of spatial inversion symmetry in the heterostructure. The description of this effect is given according to the 8x8 Kane model, using the k p method along with the Envelope Function Approximation. We determine numerically the spin-orbit coupling constants arising from the chosen model, through a self-consistent procedure. We deduce then the energy levels of the heterostructure in the simultaneous presence of a magnetic field and of the Rashba effect, and use this energy leveis for the Calculations of the longitudinal resistivity. Besides that, we analyze critically a theoretical proposal of a spin device based on Rashba effect existing in the literature [KOGA, T. et al.Physical Review Letters, v.88, n°12, 2002], elucidating a conceptual mistake on the assumed hypotheses.

Este trabalho pode ser dividido em duas partes. Na primeira, estudamos a série de ligas quaternárias \'Al IND. x\'\'Ga IND. y\'\'In IND. 1-x-y\'As, \'Al IND. x\'\'Ga IND. y\'\'In IND. 1-x-Y\', e \'Al IND. x\'\'Ga IND. y\'\'In IND. 1-x-y\'N. Estes sistemas são muito importantes do ponto de vista tecnológico, principalmente na optoeletrônica. O estudo é feito através de cálculos de estrutura eletrônica baseados na teoria do funcional da densidade (TFD) (com o uso de pseudopotenciais ultrasuaves) combinados com métodos estatísticos, como o Monte Carlo e o método da Abordagem Quase-Química Generalizada. Estes últimos foram desenvolvidos neste trabalho para descrição adequada de sistemas complexos como estas ligas semicondutoras. Obtemos suas propriedades eletrônicas, estruturais e termodinâmicas em função da composição dos átomos da liga e da temperatura de crescimento do sistema. Por último neste estudo, propomos um modelo que descreve o mecanismo de emissão de luz na liga quaternária de nitreto AlGaInN, sendo este assunto ainda bastante controverso na literatura. O modelo é baseado na formação de aglomerados de InN e GaInN, e explica as diferentes emissões no ultravioleta e no verde observados na liga AlGaInN. Na segunda parte, estudamos o sistema semicondutor magnético diluído (Ga,Mn)N que é muito promissor para futuras aplicações na nova tecnologia da spintrônica. Para isto, utilizamos também a TFD, mas dependente de spin e com o uso do método Projector Augmented Wave-PAW. Inicialmente, estudamos o MnN nas estruturas dos nitretos, que são a zincblende (zb) e a wurtzita (w). Obtemos um estado fundamental antiferromagnético (AFM) para o MnN-zb e ferromagnético (FM) para o MnN-w. No entanto, verificamos que o estado fundamental é muito suscetível à aplicação de uma tensão hidrostática, que nos levou a sugerir um modelo em que o magnetismo observado na liga GaMnN pode estar relacionado com inclusões de MnN tensionadas, com estado fundamental AFM, ou inclusões relaxadas, com estado fundamental FM. Em seguida, estudamos super-redes do tipo GaN-w/MnN-w formadas a partir de duas até seis camadas de MnN. Obtivemos um estado fundamental FM, o que é muito interessante para aplicações em spintrônica. Por último, estudamos o caso de apenas uma camada de \'Mn IND. x\'\'Ga IND. 1-x\'\'N\', imersa em GaN. Este sistema tem estado fundamental AFM e metálico para 100 % de Mn, o qual, entretanto, muda para FM e meio-metálico à medida que a concentração de Ga aumenta. Iniciamos o estudo desta liga bidimensional, propondo um Hamiltoniano modelo de Ising para descrever as interações neste sistema. / This work can be divided in two parts. In the first part, we studied the series of AlxGayIn1-x-yAs, AlxGayIn1-x-yP, and AlxGayIn1-x-yN quaternary alloys. These systems are very important in a technological point of view, mainly for optoelectronic applications. We performed band structure calculations based on Density Functional Theory (DFT) (employing ultrasoft pseudopotentials) combined with statistical methods, as the Monte Carlo and the Generalized Quasi-Chemical Approach. These two latter methods were developed in this work, in order to have a suitable description of quaternary alloys, which are very complex systems. We obtained their structural, thermodynamic, and electronic properties as a function of the atomic composition in the alloy and the growth temperature of the system. At the end of this first part, we propose a model to describe the emission mechanism in the AlGaInN quaternary alloys. This subject is still a matter of controversy in the literature. Our model is based on the formation of InN and GaInN clusters, and it explains the different light emissions in the ultraviolet and green regions of the spectrum, observed in the AlGaInN samples. In the second part of the work, we studied the diluted magnetic semiconductor system (Ga,Mn)N, which is one of the main candidates for the future applications in the spintronic new technology. For this study, we used spin DFT, solving the Kohn-Sham equations with the Projector Augmented Wave (PAW) method. Firstly, we studied the MnN in the nitrides (AlN, GaN, and InN) structures, which are the zincblende (zb) and the wurtzite (w). We obtained an antiferromagnetic (AFM) ground state for the zb-MnN, and a ferromagnetic (FM) ground state for the w-MnN. However, we verified that the ground state is very sensitive to the application of a hydrostatic strain. These results, led us to suggest that maybe the magnetism observed in the GaMnN alloys can be related with relaxed inclusions of MnN (with a FM ground state) or strained inclusions of MnN (with an AFM ground state). After this, we studied w-GaN/w-MnN superlattices, with the MnN layer formed by 2, 4, and 6 monolayers of w-MnN. We obtained a FM ground state for this system, which is very interesting for spintronic applications. Finally, we studied the case of only one monolayer of MnxGa1-xN in w-GaN. This system presents an AFM ground state for 100 % of Mn, but changes to a FM half-metalic state as the Ga composition increases. In this work we started the study of the MnxGa1-x \"bidimensional alloy\" system, proposing an Ising model Hamiltonian to describe the interactions among the Mn atoms in the system.

Neste trabalho apresentamos cálculos teóricos da resistividade longitudinal de um poço quântico quadrado duplo formado pela heteroestrutura semicondutora ln0.52Al0.48As / ln0.53Ga0.47As, considerando duas sub-bandas ocupadas e o desdobramento de spin causado pelo chamado efeito Rashba, que corresponde a um desdobramento de spin devido à ausência de simetria de inversão espacial na heteroestrutura. A descrição desse efeito é dado segundo o modelo de Kane 8x8, utilizando o método k p aliado à Aproximação da Função Envelope. Determinamos numericamente as constantes de acoplamento spin-órbita provenientes do modelo adotado, através de um procedimento de cálculo autoconsistente. Deduzimos então os níveis de energia da heteroestrutura na presença simultânea de um campo magnético e do efeito Rashba, e usamos esses níveis para o cálculo da resistividade longitudinal. Além disso, analisamos criticamente uma proposta teórica de dispositivo de spin baseado no efeito Rashba existente na literatura [KOGA, T . et al. Physical Review Letters, v.88, n°12, 2002], elucidando um equívoco conceitual nas hipóteses assumidas. / In this work we present theoretical calculations of the longitudinal resistivity of a double quantum well formed by the semiconducting heterostructure ln0.52Al0.48As / ln 0.53Ga0.47As, considering two occupied subbands and the spin splitting caused by the so-called Rashba effect, which corresponds to a spin splitting due to the absence of spatial inversion symmetry in the heterostructure. The description of this effect is given according to the 8x8 Kane model, using the k p method along with the Envelope Function Approximation. We determine numerically the spin-orbit coupling constants arising from the chosen model, through a self-consistent procedure. We deduce then the energy levels of the heterostructure in the simultaneous presence of a magnetic field and of the Rashba effect, and use this energy leveis for the Calculations of the longitudinal resistivity. Besides that, we analyze critically a theoretical proposal of a spin device based on Rashba effect existing in the literature [KOGA, T. et al.Physical Review Letters, v.88, n°12, 2002], elucidating a conceptual mistake on the assumed hypotheses.

Este trabalho pode ser dividido em duas partes. Na primeira, estudamos a série de ligas quaternárias \'Al IND. x\'\'Ga IND. y\'\'In IND. 1-x-y\'As, \'Al IND. x\'\'Ga IND. y\'\'In IND. 1-x-Y\', e \'Al IND. x\'\'Ga IND. y\'\'In IND. 1-x-y\'N. Estes sistemas são muito importantes do ponto de vista tecnológico, principalmente na optoeletrônica. O estudo é feito através de cálculos de estrutura eletrônica baseados na teoria do funcional da densidade (TFD) (com o uso de pseudopotenciais ultrasuaves) combinados com métodos estatísticos, como o Monte Carlo e o método da Abordagem Quase-Química Generalizada. Estes últimos foram desenvolvidos neste trabalho para descrição adequada de sistemas complexos como estas ligas semicondutoras. Obtemos suas propriedades eletrônicas, estruturais e termodinâmicas em função da composição dos átomos da liga e da temperatura de crescimento do sistema. Por último neste estudo, propomos um modelo que descreve o mecanismo de emissão de luz na liga quaternária de nitreto AlGaInN, sendo este assunto ainda bastante controverso na literatura. O modelo é baseado na formação de aglomerados de InN e GaInN, e explica as diferentes emissões no ultravioleta e no verde observados na liga AlGaInN. Na segunda parte, estudamos o sistema semicondutor magnético diluído (Ga,Mn)N que é muito promissor para futuras aplicações na nova tecnologia da spintrônica. Para isto, utilizamos também a TFD, mas dependente de spin e com o uso do método Projector Augmented Wave-PAW. Inicialmente, estudamos o MnN nas estruturas dos nitretos, que são a zincblende (zb) e a wurtzita (w). Obtemos um estado fundamental antiferromagnético (AFM) para o MnN-zb e ferromagnético (FM) para o MnN-w. No entanto, verificamos que o estado fundamental é muito suscetível à aplicação de uma tensão hidrostática, que nos levou a sugerir um modelo em que o magnetismo observado na liga GaMnN pode estar relacionado com inclusões de MnN tensionadas, com estado fundamental AFM, ou inclusões relaxadas, com estado fundamental FM. Em seguida, estudamos super-redes do tipo GaN-w/MnN-w formadas a partir de duas até seis camadas de MnN. Obtivemos um estado fundamental FM, o que é muito interessante para aplicações em spintrônica. Por último, estudamos o caso de apenas uma camada de \'Mn IND. x\'\'Ga IND. 1-x\'\'N\', imersa em GaN. Este sistema tem estado fundamental AFM e metálico para 100 % de Mn, o qual, entretanto, muda para FM e meio-metálico à medida que a concentração de Ga aumenta. Iniciamos o estudo desta liga bidimensional, propondo um Hamiltoniano modelo de Ising para descrever as interações neste sistema. / This work can be divided in two parts. In the first part, we studied the series of AlxGayIn1-x-yAs, AlxGayIn1-x-yP, and AlxGayIn1-x-yN quaternary alloys. These systems are very important in a technological point of view, mainly for optoelectronic applications. We performed band structure calculations based on Density Functional Theory (DFT) (employing ultrasoft pseudopotentials) combined with statistical methods, as the Monte Carlo and the Generalized Quasi-Chemical Approach. These two latter methods were developed in this work, in order to have a suitable description of quaternary alloys, which are very complex systems. We obtained their structural, thermodynamic, and electronic properties as a function of the atomic composition in the alloy and the growth temperature of the system. At the end of this first part, we propose a model to describe the emission mechanism in the AlGaInN quaternary alloys. This subject is still a matter of controversy in the literature. Our model is based on the formation of InN and GaInN clusters, and it explains the different light emissions in the ultraviolet and green regions of the spectrum, observed in the AlGaInN samples. In the second part of the work, we studied the diluted magnetic semiconductor system (Ga,Mn)N, which is one of the main candidates for the future applications in the spintronic new technology. For this study, we used spin DFT, solving the Kohn-Sham equations with the Projector Augmented Wave (PAW) method. Firstly, we studied the MnN in the nitrides (AlN, GaN, and InN) structures, which are the zincblende (zb) and the wurtzite (w). We obtained an antiferromagnetic (AFM) ground state for the zb-MnN, and a ferromagnetic (FM) ground state for the w-MnN. However, we verified that the ground state is very sensitive to the application of a hydrostatic strain. These results, led us to suggest that maybe the magnetism observed in the GaMnN alloys can be related with relaxed inclusions of MnN (with a FM ground state) or strained inclusions of MnN (with an AFM ground state). After this, we studied w-GaN/w-MnN superlattices, with the MnN layer formed by 2, 4, and 6 monolayers of w-MnN. We obtained a FM ground state for this system, which is very interesting for spintronic applications. Finally, we studied the case of only one monolayer of MnxGa1-xN in w-GaN. This system presents an AFM ground state for 100 % of Mn, but changes to a FM half-metalic state as the Ga composition increases. In this work we started the study of the MnxGa1-x \"bidimensional alloy\" system, proposing an Ising model Hamiltonian to describe the interactions among the Mn atoms in the system.

Esta tese pode ser dividida em três partes que estudam aspectos diferentes das propriedades óticas de sistemas de nitretos do grupo-III na fase cúbica especificamente GaN, InGaN e AlGaN. As amostras foram crescidas pela técnica de epitaxia de feixes moleculares assistida por plasma sobre substratos de GaAs (001). As técnicas de caracterização ótica de fotoluminescência (PL), fotoluminescência de excitação (PLE), espectroscopia Raman e fotorefletância (PR) foram usadas para investigar estes três materiais. A técnica de Difração de raios X foi empregada em alguns dos estudos para correlacionar as propriedades óticas com as estruturais. O primeiro material estudado foi o c-GaN. Os espectros de PR mostram um sinal que interpretamos como uma transição banda a banda, a partir do qual é determinada a dependência com a temperatura do gap principal do c-GaN. Os resultados nos permitem estimar a energia de ligação do complexo formado por um éxciton ligado a um aceitador neutro. Além disso, a partir dos nossos resultados de PL e PLE são obtidos valores quantitativos para a energia do limiar de absorção e o parâmetro de alargamento. Também é observado um segundo limiar de absorção devido às inclusões da fase hexagonal. O estudo do c-GaN dopado com carbono mostrou como funciona o mecanismo de incorporação deste elemento. O carbono inicialmente entra nas vacâncias de N produzindo uma melhora significativa na qualidade cristalina do material. No entanto, para concentrações maiores, este começa a entrar nos interstícios e formar complexos de carbono, com a conseqüente perda na qualidade cristalina do material. O segundo sistema estudado foi o de heteroestruturas duplas de c-GaN/InGaN/GaN. Os resultados de PL mostram que à temperatura ambiente todas as amostras emitem entre 2,3 e 2,4 eV, independentemente da composição do InGaN. Medidas de raios X revelam uma fase rica em índio com x=0,56, a qual ocorre também em todas as amostras. Experimentos de fotoluminescência ressonante de excitação indicam que a fotoluminescência provém de estruturas tipo pontos quânticos na fase rica em índio. O estudo final envolveu múltiplos poços quânticos de AlGaN/GaN. Os espectros de PL e PR mostram características que podem ser claramente identificadas como forte recombinação radiativa acontecendo nas regiões dos poços de GaN. As energias de confinamento de portadores, medidas nos poços quânticos, estão em concordância com os resultados calculados usando o método kp a partir de um modelo de Kane de oito bandas assumindo interfaces ideais entre as barreiras e o poço. / This thesis can be divided into three parts that study different aspects of optical properties in the cubic group III-nitride semiconductor system, specifically GaN, InGaN, and AlGaN. The samples were grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on (001) GaAs substrates. The optical techniques of photoluminescence (PL), photoluminescence excitation spectroscopy (PLE), Raman spectroscopy, and photo reflectance (PR) were used to investigate the different materials. X-ray diffraction was employed in some of the studies to correlate the optical and structural properties. The first material studied was c-GaN. PR spectra show a feature that we interpret as a band-to-band transition. From this spectral feature the temperature dependence of the main c-GaN gap is determined. The results allow us to estimate the binding energy of the complex formed by an exciton bound to a neutral acceptor. Moreover, from our PL and PLE results, quantitative values for the absorption-edge energy and lifetime broadening are obtained. A secondary absorption-edge due to hexagonal inclusions is also observed. The carbon doped c-GaN study gave us some insight into the carbon incorporation mechanism. Carbon initially enters into N vacancies producing a marked improvement in the crystalline properties of the material. At higher concentrations, however, it begins to enter interstitially and form carbon complexes, with the consequence o f a decrease in crystalline quality. The second system studied consisted of c-GaN/InGaN/GaN double heterostructures. PL results show that the room temperature emission of ali samples is between 2.3 and 2.4 eV regardless of InGaN composition. X-ray diffraction measurements reveal an In-rich phase with x=0.56, also in all the samples. Resonant excitation experiments indicate that the photoluminescence stems from quantum-dotlike structures of the In-rich phase. The final study involved AlGaN/GaN multiple quantum wells. PL and PR spectra display features that can be clearly ascribed to strong radioactive recombination taking place in the GaN quantum well regions. The measured carrier confinement energies in the quantum wells are in good agreement with results of calculations carried out using an eight-band kp Kane model assuming ideal sharp barrier/well interfaces.

The presented master´s thesis deals with realization educational tasks on torsional vibration apparatus. It was designed and tested six educational experiments, to extend student´s knowledge of the static and dynamic properties of rotary systems. On the experimental apparatus it is possible to use inertial discs, adjustable semi-rotary damper with forced vibration crank drive unit. New set of shafts extends the variability of experimental apparatus. Students can realize the measurement of dynamic characteristics and torsional vibration using oscilloscope. New frame for the apparatus which meet all operation requirements was also designed. The solved problematics and all educational tasks are described in new prepared materials for teaching.

This article belongs to the Proceedings of The 37th International Symposium on Dynamical Properties of Solids.