Submitted by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-05-21T18:37:24Z No. of bitstreams: 1 2017_NatáliaCarolinaSilvaGomes.pdf: 9561189 bytes, checksum: d87ab7da650ee2d05e692043b292d4fd (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-05-21T18:37:53Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_NatáliaCarolinaSilvaGomes.pdf: 9561189 bytes, checksum: d87ab7da650ee2d05e692043b292d4fd (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-21T18:37:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_NatáliaCarolinaSilvaGomes.pdf: 9561189 bytes, checksum: d87ab7da650ee2d05e692043b292d4fd (MD5) Previous issue date: 2018-05-21 / O gás natural é um hidrocarboneto proveniente da decomposição da matéria orgânica pela ação de bactérias anaeróbicas a grandes profundidades e altas temperaturas. É responsável por 20% da geração de energia mundial atualmente, o que prova a sua importância para o setor energético. O gás metano é o principal constituinte do gás natural, podendo chegar a representar até 97% da sua composição. Por ser um grande poluente e um dos gases que mais contribuem para o efeito estufa no planeta, o gás metano tem sido o assunto de muitos debates que envolvem riscos ao meio ambiente. Muitos desses riscos são relacionados às emissões fugitivas em gasodutos, os quais são tubulações que realizam o transporte de gás natural que parte da indústria petrolífera e chega aos clientes residenciais e industriais finais. Tais emissões caracterizam o principal tipo de emissão de gás natural gerada pela indústria petrolífera. Como o metano é um gás altamente inflamável, as emissões fugitivas de gás natural colocam em risco a vida das pessoas que trabalham na indústria do petróleo e que moram em regiões atravessadas pelos gasodutos. Por isso, nos últimos anos, a demanda por sensores de gás que consigam operar de forma mais eficiente, confiável e com menos custos para detectar emissões fugitivas de gás natural em gasodutos aumentou significativamente. Óxidos semicondutores de estanho atuam como uma importante e atraente base para classes de sensores de gás. Com isso, muitas pesquisas recentes têm abordado temas relacionados à melhoria de desempenho de sensores desse tipo, tais como: propriedades dos óxidos semicondutores, redução ao tamanho nanométrico dos óxidos semicondutores, dopagem de óxidos semicondutores com elementos químicos específicos, entres outros. A partir disso, neste trabalho, foram confeccionados cinco filmes finos de dióxido de estanho dopados com o elemento ferro em cinco diferentes concentrações estequiométricas e um filme fino de dióxido de estanho sem dopagem. O objetivo da confecção dos filmes finos foi aplicá-los como nanosensores do gás metano. Todos esses filmes finos foram depositados durante duas horas sobre substratos de vidro através do uso da técnica de pulverização catódica. Para a produção de cada um desses filmes, primeiramente, foram feitas seis ligas metálicas de Sn e Sn/Fe, usando um forno de arco. A liga composta somente por estanho foi utilizada para a fabricação do filme de SnO2 não dopado, enquanto que as outras cinco ligas compostas por estanho e ferro foram usadas para a produção dos filmes de SnO2 dopados com ferro. Além disso, foram realizadas caracterizações estruturais, óticas, morfológicas e magnéticas dos filmes através dos métodos de Difratometria de Raios-X, Espetrofotometria no Ultravioleta e Visível, Microscopia Eletrônica de Varredura, Microscopia de Força Atômica e Medições Magnéticas. Tais métodos possibilitaram o estudo das propriedades dos filmes finos. Em seguida, foram feitos testes de sensores para o gás metano no interior de uma câmara fechada a uma temperatura de 200°C. Tais testes permitiram a medição da resistência elétrica de cada filme aplicado como nanosensor em função do tempo, na presença de uma mistura gasosa contendo gás metano e na presença do ar atmosférico. As caracterizações morfológicas evidenciaram a presença dos filmes finos depositados sobre os substratos de vidro. As caracterizações estruturais mostraram a formação de uma única fase correspondente à estrutura cristalina do dióxido de estanho. As caracterizações óticas permitiram encontrar o valor do gap de energia de cada filme fino, sendo que cada valor encontrado se aproximou do respectivo valor encontrado na literatura para o sólido cristalino de dióxido de estanho. As medições magnéticas mostraram a coexistência dos comportamentos paramagnéticos e ferromagnéticos nos filmes finos com dopagem de ferro. Os testes de sensores de gás permitiram verificar a influência da dopagem do ferro no desempenho dos nanosensores de dióxido de estanho. Os resultados dos testes indicaram que o filme fino de SnO2 dopado com 5% de ferro teve uma melhora significativa na resposta como nanosensor do gás metano, em comparação aos outros filmes finos de SnO2 produzidos, não dopados e dopados com ferro. Logo, é possível concluir que a dopagem com ferro a partir dessa concentração tem importante influência na melhoria do desempenho dos filmes finos de SnO2 como nanosensores do gás metano. / Natural gas is a hydrocarbon derived from the decomposition of organic matter by the action of anaerobic bacteria at great depths and high temperatures. It accounts for 20% of the global energy generation nowadays, a fact which proves its importance to the world's energy sector. Methane gas is the main constituent of natural gas and accounts for up to 97% of its composition. It has been the subject of many debates that involve risks to the environment because it is a major pollutant and one of the gases that most contribute to the greenhouse effect on the planet. Many of those risks are related to fugitive emissions from gas pipelines. These pipelines transport natural gas from the oil industry to residential and industrial final customers. Fugitive emissions of natural gas endanger the people’s life who work in the oil industry and people who live in the regions crossed by pipelines. That is why the demand for gas sensors that can operate efficiently, reliably and with less cost to detect fugitive emissions from gas pipelines has significantly increased in the last years. Tin oxide semiconductors act as an important and attractive base for gas sensors. Then, many recent researches has been devoted to topics related to the performance improvement of this type of sensors such as: the semiconducting oxides properties, size reduction of semiconducting oxide to a nanometric scale, doping of semiconducting oxides with specific chemical elements, etc. In this work, six thin films of tin dioxide were deposited to test the methane gas sensing response. Five of these films were doped with iron at five different stoichiometric concentrations. The sixth film was an undoped sample. All these thin films were deposited on glass substrates during two hours using the sputtering technique. The purpose of making thin films was to apply them as methane gas nanosensors. The targets used for the films deposition were alloys of Sn/Fe with specific stoichiometry previously fabricated in an arc furnace. Pure tin was used for the fabrication of the undoped SnO2 (intrinsic) film while the other five Sn/Fe alloys were used for the production of iron doped SnO2 film. In addition, the structural, optical, morphological and magnetic characterization of the films were carried out using the following methods: X-ray Diffraction, Ultraviolet and Visible Spectrophotometry, Scanning Electron Microscopy, Atomic Force Microscopy and Magnetic Measurements. The study of thin films properties was based on the results of these methods. Subsequently, tests were performed using methane gas and thin films inside a closed chamber at a temperature of 200°C. These tests consist in measuring the electrical resistance of each film as a function of time in the presence of atmospheric air and the methane gas. The morphological characterization evidenced the presence of the films deposited on the glass substrates. The structural characterization showed the formation of a single phase corresponding to the tin dioxide crystalline structure. The optical characterization indicated the energy gap value of each thin film. These values found experimentally are close to the theoretical values for the tin dioxide crystalline solid. Magnetic measurements showed the coexistence of paramagnetic and ferromagnetic behavior in iron doped films. The gas sensor tests verified the influence of iron doping on tin dioxide nanosensors performance. The general results indicated the SnO2 film doped with 5% iron had a significant improvement in the response to the methane gas in comparison to films with other Fe concentration (0% to 4%). Therefore, it is possible to conclude the 5% iron doping has an important influence on the performance of SnO2 thin films as methane gas nanosensors.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2017-02-06T17:05:22Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Mylena Pinto Nascimento - Mestrado em Física - 2010.pdf: 26227873 bytes, checksum: 74d40caac3d585dfb4d76146eb00d921 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-06T17:05:22Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Mylena Pinto Nascimento - Mestrado em Física - 2010.pdf: 26227873 bytes, checksum: 74d40caac3d585dfb4d76146eb00d921 (MD5) Previous issue date: 2010-11-23 / CAPES / CNPq / Esse trabalho apresenta a produção e caracterização estrutural e morfológica das perovskitas simples TRFeO3 (TR = Sm, Eu, Gd), e o estudo da possibilidade de utilização desses sistemas como sensores de gás. Todas as amostras de TRFeO3 foram produzidas pela síntese de reação no estado sólido, que é uma síntese ainda pouco explorada na literatura para a obtenção desse sistema. O estudo das propriedades estruturais foram realizados por difração de raios X e adsorção e dessorção de N2, e a análise morfológica foi realizada através da microscopia eletrônica de varredura (MEV). Todas essas análises foram estudadas em função da temperatura e tempo de sinterização, bem como do cátion da terra rara utilizada. Através das análises por difratometria, foi possível a identificação da fase formada e a estimativa do tamanho médio do cristalito. Tais análises revelaram coexistência de fase com o composto TR3Fe5O12 para amostras sinterizadas a 1200°C, independente do tempo de sinterização utilizado, onde houve uma tendência a um equilíbrio na formação das fases. Já as amostras sinterizadas a 1100°C apresentaram-se monofásicas com o composto TRFeO3, com tamanho de cristalito variando conforme o tempo de sinterização. As imagens de MEV mostraram uma morfologia porosa, adequada para sensores de gás, apresentando grãos com formatos arredondados e formação de pescoço, conforme o tempo de sinterização utilizado. Independente da temperatura e tempo de sinterização, o tamanho dos grãos variaram em torno de 1 mm. Para avaliar a sensibilidade aos vapores de gasolina, foi desenvolvido um sistema baseado em medidas de resistividade elétrica, usando o método de 4-fios de Kelvin. Os resultados revelaram que um mecanismo diferente da literatura, onde a resistividade do material diminuiu quando exposto à atmosfera da mistura ar sintético/gasolina, a partir da temperatura ambiente, com boa reprodutibilidade. Através da dinâmica de tempo de resposta, em alta concentração de vapor do combustível utilizado, foi verificado que a capacidade sensorial dos compostos estudados, possivelmente, possui uma limitação com relação aos parâmetros estruturais, já que ambas propriedades estão relacionadas. Essa observação foi comprovada através do estudo realizado pelas medidas de adsorção e dessorção de N2, onde a área superficial das amostras foi em torno de 1,8 m2/g, o que diminui, significantemente, a sensibilidade. / This paper presents the production and structural and morphological characterization of simple perovskites REFeO3 (RE = Sm, Eu, Gd), and the possibility of using such systems as gas sensors. All REFeO3 samples were produced by the synthesis of solid state reaction, which is still little explored in the literature to obtain this system. The study of structural properties were carried out by X-ray diffraction and N2 adsorption and desorption, and the morphological analysis by scanning electron microscopy (SEM). All these tests were studied as a function of temperature and sintering time, and the rare earth cation used. Through this analysis by diffraction was possible to identify the phase formed and the estimated average size of crystallite. Such analysis revealed the coexistence of phase with the compound RE3Fe5O12 for samples sintered at 1200°C, regardless of time of sintering, where there was a tendency to an equilibrium in the formation stage. The samples sintered at 1100°C were presented with the monophasic compound REFeO3, with crystallite size varying according to the sintering time. The SEM images showed a porous morphology, suitable for gas sensors, showing grains with rounded shapes and neck formation, in accordance with the sintering time used. The grain size varied around 1 mm independent of temperature and sintering time. A system based on measurements of electrical resistivity, using the method of 4-wire Kelvin, was developed to detect the sensitivity to the vapors of gasoline. The results revealed that a different mechanism from literature, where the resistivity of the material decreased when exposed to atmospheric mixing synthetic air/gasoline from the ambient temperature, with good reproducibility. Through the dynamic response time, at high concentration of gasoline vapor, it was found that the sensory ability of the compounds studied, possibly, has a limitation with respect to structural parameters, since both properties are related. This observation was confirmed by the study performed by the measures of the adsorption and desorption of N2, where the surface area of the samples was about 1.8 m2/g, which decreases significantly the sensitivity.

Orientador: César Renato Foschini / Resumo: O óxido de zinco (ZnO) apresenta uma grande versatilidade física, elétrica, mecânica e propriedades químicas que podem ser exploradas em uma variedade de aplicações, tais como fotocatálise, nanoadsorventes e sensoriamento de gases. Os materiais nanoestruturados têm atraído a atenção da ciência e tecnologia nos últimos anos porque podem melhorar suas propriedades em nanoescala. A prata em escala nanométrica tem gerado interesse de pesquisadores de diferentes áreas, pois a prata é moldável e maleável, possui elevada condutividade térmica e elétrica, além de ser um forte oxidante. Neste trabalho, foram desenvolvidos filmes de óxido de zinco puro e dopados com nanopartículas de prata, visando aplicação em sensores de gás. Os filmes de óxido de zinco foram fabricados pelo método dos precursores poliméricos e utilizados como matriz devido a sua interatividade com os gases. As nanopartículas de prata foram produzidas por meio de reação em emulsão, explorando sua alta condutividade elétrica. Dessa forma, por meio das propriedades de ambos os materiais, desenvolveu-se um sensor de gás composto de óxido de zinco na forma de filmes em substratos de Al2O3, com diferentes camadas dopadas e não dopadas com nanopartículas de prata. Notou-se que o desenvolvimento de um material compósito do tipo filme de ZnO dopado com as nanopartículas de prata, apresentou propriedades melhoradas, como por exemplo, a resposta elétrica do material quando comparada com o filme contendo apenas o filme de ZnO p... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Zinc oxide (ZnO) presents a great physical, electrical, mechanical and chemical versatility that can be exploited in a variety of applications, such as photocatalysis, nanoadsorbents and gas sensing. Nanostructured materials have attracted the attention of science and technology in recent years because they can improve their nanoscale properties. The silver in nanoscale has generated interest of researchers of different areas, because the silver is moldable and malleable, has high thermal and electrical conductivity, besides being a strong oxidant. And this project was developed based on the production of silver nanoparticles and zinc oxide films for the application in gas sensors. The zinc oxide films were manufactured by the method of the polymeric precursors and used as matrix due to its interactivity with the gases. The silver nanoparticles were produced by means of emulsion reaction, exploring their high electrical conductivity. Thus, through the properties of both materials, a gas sensor composed of zinc oxide in the form of films on substrates of Al2O3, with different layers doped and not doped with silver nanoparticles was developed. It was noted that the development of a ZnO film-like composite material doped with the silver nanoparticles exhibited improved properties, such as the electrical response of the material as compared to the film containing only the pure ZnO film. / Mestre

A importância da pesquisa em eletrônica orgânica, se comparada à microeletrônica convencional baseada principalmente em silício, surge pela presença de inúmeros semicondutores e técnicas de deposição de baixo custo e em grande superfície. Os Transistores de Filmes Finos Orgânicos (OTFTs, do inglês Organic Thin-Film Transistors) são a unidade fundamental em circuitos eletrônicos e, geralmente, apresentam a estrutura de um transistor de efeito de campo. Podem ser fabricados sobre substratos plásticos e oferecem grande número de aplicações como: mostradores, etiquetas de identificação por rádio frequência e eletrônica têxtil. Além disso, há demanda por componentes eletrônicos portáteis e baratos, principalmente como sensores em diagnósticos médicos e veterinários in-situ. A geometria de OTFT mais utilizada em sensores na atualidade é a bottom gate sobre substratos de silício altamente dopado e com óxido de porta inorgânico. Polímeros como poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) vêm sendo amplamente utilizados pela comunidade científica, atestando o potencial comercial deste semicondutor em sensores. Neste contexto, esta tese apresenta o desenvolvimento de transistores à base de P3HT como sensores na detecção de analitos em fase vapor. O estudo é composto por uma etapa inicial de caracterização da mobilidade dos portadores de carga por técnicas de transiente de corrente, seguida pela otimização do desempenho de parâmetros elétricos do transistor através de alterações no processamento dos filmes dielétrico e semicondutor. Enfim, conclui-se a investigação através do entendimento dos fatores ligados à degradação do OTFT após exposição à atmosfera e sob estresse elétrico, além do detalhamento da sensibilidade e especificidade do sensor. Sensores de P3HT oferecem enorme potencial de detecção de amônia, cetonas e compostos organoclorados. Outros semicondutores poliméricos são provavelmente necessários para maior especificidade em relação a vapor dágua e álcoois. / Research on organic electronics, compared to conventional silicon-based microelectronics, is necessary as it offers plenty of semiconductors and low-cost deposition techniques that can be performed over wide surfaces. Organic Thin-Film Transistors (OTFTs) are the fundamental unity in electronic circuits and, usually, display the metal insulator semiconductor field-effect transistor (MISFET) structure. OTFTs can be processed over cheap plastic substrates and integrate a high number of applications as: flexible displays, radio frequency identification tags, textile electronics and sensors (e.g. chemical and biological compounds). Nowadays, consumers demand portable and low-cost electronic devices, mainly as sensors for in-situ medical and veterinarian diagnosis. The most widely used OTFT structure in sensing is the bottom-gate/bottom-contact FET over highly-doped silicon substrates and inorganic dielectrics. Polymers as poly(3-hexylthiophene) (P3HT) have found increasing acceptance by the scientific community, attesting their potential as semiconductors for commercial applications. In this context, the thesis lies in the development of organic transistors based in P3HT polymer for the detection of vapor-phase compounds. This study begins with transistor performance optimization through changes in dielectric and semiconductor processing. Thin-film thickness and P3HT cast solution drying time are the main studied parameters. It involves also the understanding of device performance degradation when exposed to atmosphere and under bias stress, before finally mapping sensitivity and specificity against gaseous analytes. P3HT-based sensors are potentially interesting for ammonia, ketones and organochlorides detection. Other polymeric semiconductors may be necessary to increase specificity against water steam and alcohol analytes.

Desde sua descoberta por S. Iijima em 1991, os nanotubos de carbono têm sido considerados um dos materiais nanoestruturados mais promissores para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos em escala nanoscópica. Devido _a sua alta razão entre a área superficial e o volume, esse material se destaca para aplicações como sensores de gás. No presente trabalho, estudamos através de simulações computacionais, a possibilidade de nanotubos de carbono com defeitos de nitrogênio (os chamados nanotubos CNx), poderem ser usados como sensores de moléculas gasosas. Na primeira parte do trabalho foram realizados cálculos de estrutura eletrônica baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) para diferentes sistemas formados pelo nanotubo e pela molécula. Através de cálculos de energia de ligação, foi possível identificar quais gases poderiam ou não serem adsorvidos à superfície do nanotubo. Dentre as moléculas investigadas, o monóxido de carbono e a amônia mostraram ser as mais facilmente adsorvidas ao nanotubo. Na segunda parte, foram realizados cálculos das propriedades de transporte utilizando o formalismo das funções de Green fora do equilíbrio (NEGF) recursivo. Foi possível concluir que os nanotubos estudados poderiam ser usados para detectar o monóxido de carbono e a amônia. Todavia, em relação à seletividade, os resultados indicaram que não parece possível distinguir essas duas moléculas, caso o sistema fosse inserido em um ambiente contendo uma mistura desses gases. Ainda, foram feitas simulações de nanotubos contendo defeitos aleatoriamente distribuídos, de forma a levar em conta os fatores de desordem característicos de sistemas mais realistas. / Since their discovery by S. Iijima in 1991, carbon nanotubes have been considered as one of the most promising nanostructured materials for the development of new nanoscopic electronic devices. Due to its high surface area to volume ratio, this material stands out as a candidate for possible gas sensoring applications. In this thesis, we have studied, by means of computational simulations, the possibility of using carbon nanotubes containing nitrogen defects (the so-called CNx nanotubes) as gas sensors. In the first part, we have performed electronic structure calculations based on Density Functional Theory (DFT) of several systems to address the possible binding of different molecules to the nanotube surface. Our results indicate that, among the molecules which were investigated, carbon monoxide and ammonia adsorb more easily to the nanotube surface. In the second part of this thesis, we have performed calculations of the transport properties by means of non-equilibrium Green\'s function formalism (NEGF). The results have shown that the nitrogen-defect carbon nanotubes could be used to detect, mainly carbon monoxide and ammonia molecules. On the other hand, when dealing with the selectivity of this system, it seems to be not possible to distinguish these gases, in the case of inserting the system in a environment containing a mixture of these molecules. Finally, we have simulated carbon nanotubes with defects randomly distributed along its length, in order to take into account disordering factors usually found in more realistic nanosensors.

Os objetivos do trabalho consistem em síntese e caracterização de três polímeros: poli(2,1,3-benzotiadiazol-4,7-ilenovinileno) (PBTDV), poli(2,1,3-benzotiadiazol-4,7-ilenovinileno-co-2-bromo-5-hexilóxi-p-fenilenovinileno (PBTDV-co-BHPPV) e poli(2-bromo-5-hexilóxi-p-fenilenovinileno) (BHPPV), sendo os dois primeiros inéditos; aplicação de polímeros condutores no desenvolvimento de um nariz eletrônico capaz de identificar madeiras; e aplicação de polímeros condutores em um sensor de pressão. Os polímeros foram preparados de maneira satisfatória via redução catódica de seus precursores tetra-halogenados, que forneceu produtos com rendimentos apreciáveis. Para o projeto do nariz eletrônico que pretende identificar madeiras, dois conjuntos de espécies de madeira foram estudadas: (a) mogno e cedro e (b) imbuia e canela-preta. O nariz eletrônico desenvolvido apresenta um conjunto de quatro sensores de gás, que foram construídos por meio da deposição de finos filmes de polímeros dopados sobre a superfície de eletrodos interdigitados. Esse conjunto de sensores foi desenvolvido com sucesso, sendo capaz de diferenciar as espécies de madeira com taxa de acerto de 100%. Por fim, foi desenvolvido também com sucesso um sensor de gás capaz de atuar como sensor de pressão. Esse dispositivo mostrou-se sensível à variação de pressão, do vácuo a ambiente, e os ensaios apresentaram boa reprodutibilidade. A resposta do sensor, frente à variação de pressão, é produto de interação(ões) entre a camada ativa do polímero utilizado (PHBPE, poli(4\'-hexilóxi-2,5-bifenilenoetileno)) e algum(ns) componente(s) do ar atmosférico ou da atmosfera particular do laboratório. Esse sensor é de fácil fabricação e barato (~ R$ 1,00), sendo possível sua aplicação como sensor para pressões menores do que a ambiente / The syntheses of three polymers via electrochemical reduction of their precursors are described. Two out of the three generated polymers have never been described before. An electronic nose was developed capable of identifying two pairs of wood species: (a) mahogany and cedar and (b) Brazilian walnut and black-cinnamon. The electronic nose consisted of four gas sensors, fabricated by the deposition of thin doped polymer films onto the surface of interdigitated electrodes. The device presented a rate of hits of 100% in 80 assays of identification of the above cited species. Finally, a gas sensor based on a conductive polymer and capable of acting as a pressure sensor was fabricated. The sensor was suitable for measuring air pressures in the range of 100 mmHg to 700 mmHg due to its sensibility to one or more specific compounds present in the air. The device is cheap, easy to fabricate and lasts for several months

A importância da pesquisa em eletrônica orgânica, se comparada à microeletrônica convencional baseada principalmente em silício, surge pela presença de inúmeros semicondutores e técnicas de deposição de baixo custo e em grande superfície. Os Transistores de Filmes Finos Orgânicos (OTFTs, do inglês Organic Thin-Film Transistors) são a unidade fundamental em circuitos eletrônicos e, geralmente, apresentam a estrutura de um transistor de efeito de campo. Podem ser fabricados sobre substratos plásticos e oferecem grande número de aplicações como: mostradores, etiquetas de identificação por rádio frequência e eletrônica têxtil. Além disso, há demanda por componentes eletrônicos portáteis e baratos, principalmente como sensores em diagnósticos médicos e veterinários in-situ. A geometria de OTFT mais utilizada em sensores na atualidade é a bottom gate sobre substratos de silício altamente dopado e com óxido de porta inorgânico. Polímeros como poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) vêm sendo amplamente utilizados pela comunidade científica, atestando o potencial comercial deste semicondutor em sensores. Neste contexto, esta tese apresenta o desenvolvimento de transistores à base de P3HT como sensores na detecção de analitos em fase vapor. O estudo é composto por uma etapa inicial de caracterização da mobilidade dos portadores de carga por técnicas de transiente de corrente, seguida pela otimização do desempenho de parâmetros elétricos do transistor através de alterações no processamento dos filmes dielétrico e semicondutor. Enfim, conclui-se a investigação através do entendimento dos fatores ligados à degradação do OTFT após exposição à atmosfera e sob estresse elétrico, além do detalhamento da sensibilidade e especificidade do sensor. Sensores de P3HT oferecem enorme potencial de detecção de amônia, cetonas e compostos organoclorados. Outros semicondutores poliméricos são provavelmente necessários para maior especificidade em relação a vapor dágua e álcoois. / Research on organic electronics, compared to conventional silicon-based microelectronics, is necessary as it offers plenty of semiconductors and low-cost deposition techniques that can be performed over wide surfaces. Organic Thin-Film Transistors (OTFTs) are the fundamental unity in electronic circuits and, usually, display the metal insulator semiconductor field-effect transistor (MISFET) structure. OTFTs can be processed over cheap plastic substrates and integrate a high number of applications as: flexible displays, radio frequency identification tags, textile electronics and sensors (e.g. chemical and biological compounds). Nowadays, consumers demand portable and low-cost electronic devices, mainly as sensors for in-situ medical and veterinarian diagnosis. The most widely used OTFT structure in sensing is the bottom-gate/bottom-contact FET over highly-doped silicon substrates and inorganic dielectrics. Polymers as poly(3-hexylthiophene) (P3HT) have found increasing acceptance by the scientific community, attesting their potential as semiconductors for commercial applications. In this context, the thesis lies in the development of organic transistors based in P3HT polymer for the detection of vapor-phase compounds. This study begins with transistor performance optimization through changes in dielectric and semiconductor processing. Thin-film thickness and P3HT cast solution drying time are the main studied parameters. It involves also the understanding of device performance degradation when exposed to atmosphere and under bias stress, before finally mapping sensitivity and specificity against gaseous analytes. P3HT-based sensors are potentially interesting for ammonia, ketones and organochlorides detection. Other polymeric semiconductors may be necessary to increase specificity against water steam and alcohol analytes.

Submitted by Pedro Paulo da Silva Ortega (pedro.ortega@hotmail.com.br) on 2018-09-26T21:40:36Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Mestrado - Pedro Ortega.pdf: 2824258 bytes, checksum: 8d2b9a29bc8471eb6f0f24a6fe04227f (MD5) / Approved for entry into archive by Pamella Benevides Gonçalves null (pamella@feg.unesp.br) on 2018-09-27T15:02:32Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ortega_pps_me_guara.pdf: 2824258 bytes, checksum: 8d2b9a29bc8471eb6f0f24a6fe04227f (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-27T15:02:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ortega_pps_me_guara.pdf: 2824258 bytes, checksum: 8d2b9a29bc8471eb6f0f24a6fe04227f (MD5) Previous issue date: 2018-08-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Por ser um gás tóxico, inodoro, insípido e incolor, ou seja, imperceptível ao ser humano, o monóxido de carbono (CO) apresenta um sério risco à saúde, sendo necessário um sensor eficiente que alerte sua presença. Assim, filmes espessos foram depositados manualmente sobre substratos de alumina a partir de nanopartículas de dióxido de cério (CeO2) puro e dopadas com európio sintetizadas pelo método hidrotermal assistido por micro-ondas (HAM), visando a sua aplicação como sensores de gás. As nanopartículas fabricadas pelo método HAM foram caracterizadas por Difração de Raios-X (DRX), Espectroscopia Raman, Espectroscopia de Absorção no Ultravioleta-Visível (UV-Vis), área de superfície específica (SBET), entre outros, enquanto os filmes sensores foram caracterizados morfologicamente por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e tiveram suas propriedades sensoriais quantificadas. Os difratogramas das amostras apresentaram todos os picos referentes à estrutura tipo fluorita do CeO2. Valores de área de superfície específica maiores que os encontrados na literatura foram obtidos. As micrografias (MEV) obtidas mostram que os filmes espessos são porosos e depositados sem laminações sobre o substrato de alumina, com espessura da ordem de 45 55 μm. As medidas elétricas mostram uma temperatura de trabalho entre 350 e 400°C, intervalo no qual a resposta ao monóxido de carbono foi maior. Os filmes apresentaram excelentes tempos de resposta e de recuperação, principalmente para a amostra com a estequiometria Ce1-(3/4)xEuxO2 (x=0,08), que obteve um tempo de resposta de 0,9 segundo após a exposição ao CO. Os valores obtidos neste trabalho são significativos e mostram a qualidade do filme sensor fabricado com nanopartículas produzidas pelo método HAM. / As a toxic, odorless, tasteless and colorless gas, therefore imperceptible by humans, carbon monoxide (CO) is life-threatening and an efficient sensor is necessary to warn us about its presence in the environment. Therefore, thick films were manually deposited on alumina substrates from pure and europium doped cerium dioxide (CeO2) nanoparticles synthesized by the microwave-assisted hydrothermal method (MAH), aiming their application as gas sensors. The nanoparticles synthesized by the MAH method were characterized by X Ray Diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Ultraviolet Visible spectroscopy (UV Vis), specific surface area (SBET), among other techniques, while the sensor films were morphologically characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM) and had their properties as gas sensors measured. The X-ray diffraction pattern of the samples showed every peak belonging to the fluorite-type structure of CeO2. Specific surface area values higher than the ones commonly found in the literature were obtained. The SEM micrographies show that the thick films are porous and were deposited with no laminations on the alumina substrates, with thickness of 60 μm. The electrical measurements showed an operating temperature between 350 and 400°C, in which the response to carbon monoxide was higher. The films had remarkable response and recovery time, especially for the sample with the stoichiometry Ce1-(3/4)xEuxO2 (x=0,08), which presented a response time of 0.9 second after the exposure to CO. The results obtained in this work are significant and they are an evidence of the quality of the sensor films fabricated with nanoparticles synthesized by the HAM method.

Desde sua descoberta por S. Iijima em 1991, os nanotubos de carbono têm sido considerados um dos materiais nanoestruturados mais promissores para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos em escala nanoscópica. Devido _a sua alta razão entre a área superficial e o volume, esse material se destaca para aplicações como sensores de gás. No presente trabalho, estudamos através de simulações computacionais, a possibilidade de nanotubos de carbono com defeitos de nitrogênio (os chamados nanotubos CNx), poderem ser usados como sensores de moléculas gasosas. Na primeira parte do trabalho foram realizados cálculos de estrutura eletrônica baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) para diferentes sistemas formados pelo nanotubo e pela molécula. Através de cálculos de energia de ligação, foi possível identificar quais gases poderiam ou não serem adsorvidos à superfície do nanotubo. Dentre as moléculas investigadas, o monóxido de carbono e a amônia mostraram ser as mais facilmente adsorvidas ao nanotubo. Na segunda parte, foram realizados cálculos das propriedades de transporte utilizando o formalismo das funções de Green fora do equilíbrio (NEGF) recursivo. Foi possível concluir que os nanotubos estudados poderiam ser usados para detectar o monóxido de carbono e a amônia. Todavia, em relação à seletividade, os resultados indicaram que não parece possível distinguir essas duas moléculas, caso o sistema fosse inserido em um ambiente contendo uma mistura desses gases. Ainda, foram feitas simulações de nanotubos contendo defeitos aleatoriamente distribuídos, de forma a levar em conta os fatores de desordem característicos de sistemas mais realistas. / Since their discovery by S. Iijima in 1991, carbon nanotubes have been considered as one of the most promising nanostructured materials for the development of new nanoscopic electronic devices. Due to its high surface area to volume ratio, this material stands out as a candidate for possible gas sensoring applications. In this thesis, we have studied, by means of computational simulations, the possibility of using carbon nanotubes containing nitrogen defects (the so-called CNx nanotubes) as gas sensors. In the first part, we have performed electronic structure calculations based on Density Functional Theory (DFT) of several systems to address the possible binding of different molecules to the nanotube surface. Our results indicate that, among the molecules which were investigated, carbon monoxide and ammonia adsorb more easily to the nanotube surface. In the second part of this thesis, we have performed calculations of the transport properties by means of non-equilibrium Green\'s function formalism (NEGF). The results have shown that the nitrogen-defect carbon nanotubes could be used to detect, mainly carbon monoxide and ammonia molecules. On the other hand, when dealing with the selectivity of this system, it seems to be not possible to distinguish these gases, in the case of inserting the system in a environment containing a mixture of these molecules. Finally, we have simulated carbon nanotubes with defects randomly distributed along its length, in order to take into account disordering factors usually found in more realistic nanosensors.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation introduces the study of the use of tin dioxide gas sensor array applied to fault detection in power transformers, through dissolved gas-in-oil. The aim of this research is to analyze the data obtained from gas sensors array, using pattern recognition techniques, and thus to determine if the use of gas sensor array allows the identification of faults. In order to facilitate the understanding of this research, the document was organized covering the following topics: power transformers, mineral insulating oil, analysis and interpretation of dissolved gás-in-oil, tin dioxide sensors and data acquisition instrument, techniques of pattern recognition and methodology for generating faults. In the end of this dissertation, the data from the sensor array are analyzed, in order to achieve the objective of verifying its application in the identification of faults. / Esta dissertação introduz o estudo do uso de uma matriz de sensores de gases de dióxido de estanho na detecção de falhas em transformadores de potência, através dos gases dissolvidos no óleo. O objetivo desta pesquisa é analisar os dados obtidos pelos sensores de gás, utilizando algumas técnicas de reconhecimento de padrão, e desta forma, verificar se o uso da matriz de sensores possibilita a identificação das falhas. Com o intuito de facilitar o entendimento da pesquisa, o presente documento foi organizado abordando os seguintes tópicos: transformadores de potência; óleo mineral isolante; análise e interpretação dos gases dissolvidos em óleo; sensores de dióxido de estanho e instrumento de aquisição de dados; técnicas de reconhecimento de padrões; e metodologia de geração de falhas. Ao final desta dissertação, os dados da matriz de sensores são analisados, a fim de atingir o objetivo de verificar sua aplicação na identificação das falhas.