A realização de giroscópios interferométricos a fibra óptica de alta performance necessita do emprego de técnicas de redução das instabilidades dos fatores de escala, a fim de manter o erro de medida abaixo da tolerância especificada. No presente trabalho, são estudadas as causas de instabilidade do fator de escala efetivo, e alguns métodos de redução do erro são apresentados. São implementados dois sistemas de estabilização do fator de escala, um baseado na medida direta e outro na medida indireta do espectro da fonte óptica, obtendo-se uma flutuação menor que 200 ppm, com deriva termica de +8,7 ppm/oC em ambos os casos.

Apresentamos um estudo teórico de ligas semicondutoras baseadas em tálio, na estrutura cúbica zincblende, com a possibilidade de serem um alternativa viável para os dispositivos optoeletrônicos que atuam na região do comprimento de onda do infravermelho. A metodologia empregada foi a combinação de cálculos de primeiros princípios de estrutura eletrônica através da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e de análises estatísticas através do método da Aproximação Quase-Química Generalizada (GQCA). Na primeira parte do trabalho fizemos um estudo a respeito de compostos do grupo III-V nas estruturas zincblende e wurtzita com os binários GaN, GaAs, InN, InAs, TlAs e TlN. Obtivemos propriedades estruturais como a constante de rede e o bulk modulus, eletrônicas como estrutura de bandas, densidade de estados (DOS) e gap de energia. Todos os resultados foram comparados com dados experimentais e teóricos, relatados na literatura. Na segunda etapa realizamos um estudo completo das propriedades de ligas semicondutoras baseadas em tálio na estrutura zincblende. Calculamos propriedades estruturais destas ligas e mostramos que utilizando um método estatístico que leve em conta o maior número de configurações possíveis da liga, a constante de rede varia linearmente em função da composição tálio, conforme a Lei de Vegard. Construímos também diagramas de fase para realizar um estudo da estabilidade das ligas obtendo as temperaturas críticas e regiões de separação de fase. E por final analisamos as propriedades eletrônicas dos compostos em função da composição além do parâmetro de bowing. Outro resultado importante foi o cálculo do gap em função da concentração de tálio na liga, com o novo método LDA-1/2.

Nesse trabalho são apresentados estudos sobre a deposição de filmes finos de óxidos semicondutores, óxido de zinco (ZnO), dióxido de titânio (TiO2) e dióxido de silício (SiO2), por meio da técnica denominada magnetron sputtering, utilizando fontes de potência de rádio frequência e corrente contínua. Os filmes de óxidos foram crescidos sobre substratos de silício e dióxido de silício, variando-se alguns parâmetros de deposição como: a distância axial (z0), a concentração de oxigênio na mistura de Ar e O2, a temperatura do substrato, a pressão de trabalho e a potência aplicada. As amostras foram caracterizadas por perfilometria, difração de raios-X (XRD), quatro pontas, RBS (Rutherford backscattering spectrometry) e nanoindentação. Os resultados mostraram que os filmes produzidos apresentam alterações estruturais de acordo com os parâmetros de deposição. Através das correlações entre os parâmetros de deposição e as características dos filmes, foi possível selecionar um conjunto de amostras com características elétricas e mecânicas mais adequadas para uso em sensores piezoresistivos. Entre os óxidos estudados, o ZnO foi o que apresentou melhores características, chegando-se a obter filmes com resistividade elétrica na ordem de 10-2 ?.cm, módulo de elasticidade de 156 GPa e gauge factor de 2,4. Destaque especial deve ser dado à eficiência do processo de recozimento térmico na obtenção desses resultados.

Esta tese descreve um estudo de adesão direta entre semicondutores. Foi realizada adesão entre silício e silício, silício e fosfeto de índio, e foram feitas tentativas de aderir silício a lâminas de PbTe fabricadas no Laboratório Associado de Sensores (LAS) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). A eficiência de adesão (área aderida/área total) e a força de adesão por unidade de área aderida foram medidas, para vários métodos de preparação das superfícies, incluindo banhos úmidos e tratamento por plasma. Foram estabelecidos métodos para obter sistematicamente 100% de área aderida, tanto para Si/Si quanto Si/InP. A força de adesão foi medida em uma máquina de ensaios mecânicos, e a área aderida foi medida por imagens de infravermelho próximo. Este trabalho também demonstra a detecção de defeitos na interface por condução de calor usando uma técnica fotoacústica, com o objetivo de propiciar um método para caracterizar a adesão de materiais opacos ao infravermelho. A curva característica de corrente em função da voltagem de diodos obtidos por solda direta de silício p a silício n foi medida.

Este trabalho descreve atividades relacionadas à solda anódica (chamada também de adesão anódica ou solda eletrostática), enfatizando a solda Si-vidro e Si-Si com camada intermediária de vidro. Após uma introdução ao processo e suas aplicações, são descritos os principais aspectos físicos deste tipo de adesão, e comentados os métodos e resultados disponíveis na literatura. Também é descrita uma proposta de modelamento da adesão anódica composto pela interpretação de outros autores somada à nossa visão sobre o processo. Na parte experimental, descrevemos a montagem do arranjo utilizado para a realização de adesões Si-vidro com monitoramento das grandezas elétricas e da propagação da frente de adesão durante os experimentos. Este mesmo arranjo, com pequenas modificações, foi utilizado para adesões Si-Si com camada intermediária de vidro, neste caso com acompanhamento das medidas elétricas. Nas adesões Si-Pyrex(7740) realizadas constatamos a possibilidade de obtenção de adesões totais (100% das superfícies aderidas) quando utilizamos diferentes limpezas para o vidro (etapas da limpeza RCA) e diferentes condições para as superfícies do Si (hidrófoba e hidrófila). Obtivemos ainda forças de adesão por unidade de área aderida maiores que 3.8 MPa para os pares Si-Pyrex aderidos. A densidade de corrente durante a adesão pode ser obtida a partir das medidas de corrente e da variação da área aderida durante as soldas Si-Pyrex, trazendo uma descrição dos instantes iniciais da adesão, diferente das propostas na literatura. Obtivemos filmes de Pyrex(7740) sobre lâminas de Si para a adesão Si-Si com camada intermediária de vidro através da deposição por "eletron-beam", que demonstram ser de grande utilidade neste tipo de adesão. Estes filmes foram depositados em taxas de 0.2nm/s sem trincas ou desprendimento do filme. Por outro lado, não obtivemos sucesso na adesão Si-Si com camada intermediária utilizando lâminas de Si com os filmes de vidro 7570 Iwaki depositados através de "eletron-beam" ou "laser-ablation". Além desses resultados teóricos e experimentais, o trabalho contém sugestões para procedimentos de análise e possíveis modificações nos casos em que os objetivos propostos não foram totalmente atingidos.

A nanotecnologia é um dos campos da tecnologia mais em voga atualmente, tendo uma gama imensa de aplicações em campos tão amplos quanto a eletrônica, a medicina e a biologia, por exemplo. A nanotecnologia se baseia no uso de propriedades físicas e químicas únicas obtidas em sistemas de dimensões muito reduzidas chamados de nanoestruturas. Entre as nanoestruturas com maior potencial para novas aplicações na atualidade temos os nanofios. Nanofios são estruturas filamentares de diâmetros da ordem de nanômetros (tipicamente 5-100nm) e comprimentos geralmente da ordem de micrômetros que apresentam uma enorme variedade de aplicações como: transistores, portas lógicas e circuitos combinacionais (possibilitando o escalamento); lasers (com baixa corrente de limiar e menores larguras de linha); e sensores e catalisadores (aproveitando sua alta razão área/volume). Dentre os nanofios, particularmente destacamos os de nitreto de gálio (GaN). Nitretos são materiais com muitas aplicações nos dias atuais, destacando-se especialmente toda opto-eletrônica na faixa azul e ultra-violeta do espectro eletromagnético. Além disso, nanofios de nitretos têm ainda vantagens extras devido ao seu alto gap, alta estabilidade estrutural, baixas correntes de fuga, estabilidade à radiação e robustez mecânica. Neste trabalho simulamos computacionalmente nanofios de GaN, com o diferencial de usarmos um método teórico desenvolvido pelo próprio GMSN (Grupo de Materiais Semicondutores e Nanotecnologia - ITA): o método LDA-1/2. Este método corrige a deficiência da teoria padrão usada em simulações, a Teoria do Funcional da Densidade (DFT em inglês), especialmente na predição do gap de energia ( parâmetro fundamental do material para aplicações em optoeletrônica). Obtivemos como principal resultado a variação da energia de gap com o diâmetro de fios puros e passivados com H. No entanto, embora os resultados sejam corrigidos com relação ao DFT padrão, notamos que a metodologia ainda não é completa, especialmente para o caso de fios pouco espessos em que o confinamento é intenso. Apesar disto, consideramos este trabalho com um passo inicial na solução do complexo problema da obtenção de propriedades eletrônicas mais realísticas em nanoestruturas. Isto ocorre pela grande vantagem do baixo custo computacional da metodologia empregada, que pode permitir a obtenção de uma estrutura eletrônica mais confiável no estudo de sistemas complexos envolvendo nanofios como impurezas, ligas e interfaces.

Esta tese apresenta a modelagem de transistores MOS a temperaturas criogênicas (77K). Considerando-se que os transistores MOS são os blocos básicos para a construção de circuitos integrados e que o projeto de circuitos mistos a temperaturas criogênicas ainda hoje se mostra como um grande desafio para a comunidade científica e industrial devido à falta de modelos de simulação confiáveis e precisos, o presente tema reveste-se da mais alta relevância acadêmica e estratégica para o país. Duas ferramentas computacionais open-source (PExPY e SimulPY) baseadas no modelo EKV2.6 foram desenvolvidas para a implementação de um método físico inovador de criação de bibliotecas de simulação, apresentando erros relativos menores que 1,1 e 7% respectivamente. Dois novos modelos e uma macro-célula SPICE foram propostos. O primeiro modifica as equações que regem o comportamento dos parâmetros semicondutores, adaptando-os à física de temperaturas criogênicas. O segundo propõe funções de ajuste para o comportamento MOS, e facilita a construção de uma macro-célula SPICE, que torna todas as alterações transparentes ao usuário. A modelagem de três diferentes tecnologias (MOSIS 0,35m, XFAB 0,18 m e CI ALD 1105) com transistores NMOS e PMOS demonstra a correção, acurácia e viabilidade do método e dos modelos propostos. Resultados de simulações realizadas a partir dos três modelos apresentam erros relativos médios menores que 10% em todas as regiões de operação, quando comparados com resultados experimentais.

Neste trabalho foi estudado e aplicado o método de correção de gap eletrônico LDA-1/2, para o semicondutor silício, contendo defeitos ou impurezas magnéticas. O grande motivador para o uso desse método é seu baixo custo computacional, o que abre possibilidades para o uso em sistemas grandes, condição fundamental para se obter bons resultados nos cálculos de defeitos. Dado que o método LDA-1/2, em sua forma atual, não é capaz de calcular energias totais, uma metologia desenvolvida por Rinke et al., Phys. Rev. Lett, v. 102, p. 026402, 2009, a qual utilizava o método de correção de gap GW, foi adaptada. Essa metodologia consiste basicamente na separação das energias de formação em duas contribuições, afinidades eletrônicas, calculadas pelo método LDA-1/2, e energias de relaxação, calculadas pelo método usual LDA. Foram realizados cálculos ab initio em supercélulas de silício com 65 e 217 átomos, contendo um defeito de silício intersticial em quatro geometrias diferentes. Os dois principais problemas em cálculos de defeitos foram abordados, ou seja, o problema da interação do defeito com sua imagem, devido ao método de supercélulas (efeito de tamanho) e o problema de subestimação do gap eletrônico, pela DFT. As afinidades eletrônicas, calculadas utilizando-se o método LDA-1/2, via procedimento LUE-VBM (desenvolvido nesse trabalho), aumentaram em torno de 0,8 eV, em relação aos resultados LDA, levando as energias de formação a um excelente acordo com os resultados experimentais. Na segunda parte do trabalho, a metologia desenvolvida para os defeitos em silício foi aplicada no cálculo das propriedades da impureza magnética manganês em silício. Tal material possui características ferromagnéticas à temperatura ambiente, sendo um dos principais candidatos para construção de dispositivos spintrônicos. Os cálculos foram realizados em supercélulas com 64 e 216 átomos de silício, contendo um átomo de manganês intersticial ou substitucional, utilizando-se o método GGA-1/2. Foram obtidos primeiramente os níveis de transição de carga, os quais mostraram bom acordo com resultados experimentais obtidos da literatura. Além disso, até onde sabemos esses são os primeiros resultados teóricos para esses níveis, onde foi aplicado um método de correção de gap. Foram obtidas também as energias de formação da impureza magnética manganês em silício. Observou-se que a impureza intersticial possui menor energia de formação, sendo os estados de carga 2+ e 1+ os mais estáveis, para os casos intersticial e substitucional, respectivamente. O método GGA-1/2 aumenta a energia de formação, de forma não uniforme com os estados de carga. Além disso, prevê que os estados d do Mn são mais localizados. O método GGA prevê que os sistemas com 65 ou 64 átomos têm características meio-metálicas. Já o método GGA-1/2 concorda com o GGA em todos os casos exceto para a impureza substitucional, onde a característica prevista é o estado metálico.

Neste trabalho, nós estudamos as propriedades ópticas de absorção e emissão de polímeros conjugados luminescentes baseados no poli(p-fenileno de vinilideno) (PPV). Este material foi processado na forma de filme pelas técnicas casting, spin-coating, self-assembled (SA) e Langmuir-Blodgett (LB), disponíveis no Grupo de Polímeros Bernhard Gross, e caracterizado opticamente e quimicamente As propriedades ópticas do PPV foram investigadas através das seguintes técnicas: fotoluminescência (PL), fotoluminescência por excitação seletiva e absorção óptica. As medidas foram realizadas em função da temperatura da amostra e polarização luz de excitação e emissão. A caracterização química e estrutural do material estudado foi feita através de espectroscopia de infravermelho e analise de elementos. A anisotropia molecular no plano de filmes LB-PPV foi estudada por dicroísmo circular e medidas de birrefringência. Uma nova metodologia do material usado e de preparação de filmes de PPV também foi desenvolvida neste trabalho. Nós adotamos uma rota alternativa que consiste na substituição do contra-íon do precursor, poli(cloreto de tetrahidrotiofeno de xililideno) (PTHT), em solução aquosa por um íon de cadeia longa, o sal de sódio do ácido dodecilbenzenosulfonico (DBS). A vantagem da utilização deste polímero precursor está na possibilidade de converter filmes de PPV com alto grau de conjugação a 115 °C em apenas 3 minutos. Usando o DBS, os filmes de PPV podem ser convertidos sobre atmosfera ambiente e temperaturas de 80 °C, com propriedades ópticas melhores que as obtidas pelos métodos convencionais de conversão de filmes a temperaturas acima de 200 °C sobre vácuo. Filmes estáveis de Langmuir de PTHT-DBS foram transferidas sobre substratos de quartzo. Os filmes LB-PPV apresentaram uma grande anisotropia, demonstrada pelos experimentes de dicroísmo linear observados por absorção óptica e emissão de luz linearmente polarizada e por medidas de birrefringência. Além do mais, filmes SA-PPV foram produzidos por uma metodologia diferente. A adsorção alternada das camadas de PTHT e DBS resulta em filmes de PPV com grande grau de conjugação e espectros com estrutura bem resolvida. Um grande aumento da PL causado pela luz de excitação, na presença de ar, foi observado em filmes de PPV. Este efeito é acompanhado por um deslocamento para o azul do espectro de absorção, resultado da diminuição do comprimento de conjugação efetivo e formação de defeitos estruturais como o grupo carbonila. O aumento da PL pode ser explicado considerando a difusão dos portadores de carga por transferência de energia de via Förster para a região não degradada do filme de PPV, este processo é ativado pela formação de um perfil energético ao longo do filme devido a uma distribuição de segmentos conjugados gerados por foto-oxidação. O modelo teórico baseado nos dados experimentais e considerando o parâmetro geométrico é proposto. Finalmente, a análise de linha espectral da absorção e emissão do PPV com diferentes graus de conjugação foi realizada com sucesso na região das transições eletrônicas entre os estados não localizados p-p* pela análise de Franck-Condon. / In this work, we studied the optical proprieties of absorption and emission of luminescent conjugated polymers based on poly(p-phenylene vinylene) (PPV). This material was processed in thin films by casting, spin-coating, self-assembled (SA) e Langmuir-Blodgett (LB) techniques, available in the Grupo de Polímeros Bernhard Gross, where the samples were characterized optically and chemically. The optical proprieties of PPV were investigated by the following techniques: photoluminescence (PL), photoluminescence excitation spectroscopy and optical absorption. The measurements were carried out in function of sample temperature and polarization of the excitation and the emission light. The chemical and structural characterization of the material was performed by infrared spectroscopy and elemental analysis. The molecular anisotropy in plane of LB-PPV films were studied by circular dichroism and birefringence experiments. A new methodology in the material and film processing was developed in this work. Here we have adopted an alternative approach consisting in substituting the chloride counter ion of a water-soluble precursor, poly(xylylidene tetrahydrothiophenium chloride) (PTHT), by a long chain sulfonic counter ion (DBS) using a sodium salt of dodecylbenzenesulfonic acid. The advantage of this precursor polymer lies in the possibility of converting PPV films with a high conjugation length at 115 °C within only 3 min. Using DBS allowed PPV films to be converted under atmospheric pressure at temperatures as low as 80 oC, with conjugation length and optical properties better than for standard films converted at temperatures above 200 oC under controlled atmospheres. Stable Langmuir PTHT-DBS monolayers were transferred onto quartz substrates in the form of LB films. These LB-PPV films are highly anisotropic as demonstrated by linear dichroism experiments using linearly polarized optical absorption and emission and by birefringence measurements. Furthermore, SA-PPV films were produced by a different methodology. The adsorption on alternate PTHT and DBS layers result in PPV films with high conjugation degree and well-resolved spectral structure. These results are not similar in the literature. A strong PL enhancement was observed in PPV films caused by light excitation in the presence of air. This effect is accompanied by a blue-shift in the absorption spectrum resulting in shortened effective conjugation length and by a formation of defects such as carbonyl groups. The PL enhancement can be explained by an efficient incoherent diffusion of excited carriers to non-degraded PPV segments by Förster transfer, which is activated by the formation of an energy profile in the film due to distribution conjugation lengths generated by photodegradation. A theoretical model based on experimental data and considering the geometric parameters is proposed. Finally, the spectral line shape of absorbance and emission of PPV with different conjugation degrees was analyzed with success in the region of p-p* non-localized electronic transitions by Franck-Condon analysis.

Neste trabalho, é apresentada uma metodologia para fabricação de transistores de filmes finos orgânicos sobre substratos flexíveis e resultados de simples testes de flexão desses substratos. Foram fabricados transistores de Poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) com diversas arquiteturas não se preocupando somente com a relação W/L dessas, mas também com a facilidade de caracterizar os dispositivos em superfícies curvas. Os transistores foram fabricados sobre diversos substratos como silício, vidro e PET, para que fosse possível uma comparação de eficiência entre eles. A mobilidade do P3HT se manteve próximo de 10-2 cm2/Vs enquanto que a corrente de ION apresentou um aumento significativo, Os transistores sobre PET se mostraram resistentes à flexão, suportando raios de curvaturas de até 0,8 cm sem afetar sua resposta. Porém foi identificado que a compressão ou a tração resultam em efeitos diferentes nos transistores, principalmente sobre os eletrodos de ouro. / Presented herein is a fabrication procedure for organic thin film transistors over flexible substrates. It is also shown the results of the bending tests on these devices. Transistors of poly(3-hexyl thiophene) (P3HT), with different architectures were fabricated, aiming not only the W/L relation but also, the capability contacting bent electrodes for testes on curved surfaces. The transistors were fabricated over rigid and flexible substrates like silicon, glass and PET, allowing the efficiency comparison between them. The P3HT mobility was kept stable, around 10-2 cm2/Vs, while the ION current presented a significant change on different substrates. The transistors over PET showed to be resistance to bending, being able to bend to a curve radius of 0.8 cm without losing its transistor characteristics. Although, it was identified that the direction of bending, compression and traction, result on different effects over the transistors, especially over the golden electrodes.