Neste trabalho e apresentado um estudo, via teoria de massa efetiva multibanda autoconsistente de heteroestruturas de semicondutores magnéticos diluídos, generalizada para incluir parâmetros de diferentes materiais. A interacao magnética e descrita por um modelo de campo médio baseado no mecanismo de troca indireta, com a possibilidade de inclusão de diferentes íons magnéticos. As equacoes de massa efetiva são resolvidas de forma autoconsistente com o auxílio da equacao de Poisson. As interacoes de spin-órbita e de troca-correlacao, na aproximacao de densidade local, são incluídas no cálculo. O método e aplicado para o estudo das estruturas de bandas e densidades de carga com separacao por spin do portador de heteroestruturas com dopagem tipo-n e tipo-p, variando a geometria dos pocos magnéticos e também o período da super-rede, as densidades de portadores e as concentracoes de íons magnéticos. Solucoes autoconsistentes da equacao de massa efetiva são encontradas para o oxido semicondutor (Zn,Co)O. Será mostrada a separacao de portadores por spin em funcao dos parâmetros variados, simulando diversas concentracoes possíveis, utilizadas em sistemas descritos na literatura, e será analisado o comportamento dos perfis de potencial. Usando os dados obtidos, um diagrama de fases será traçado com base na polarizacao total ou parcial dos portadores, e o seu comportamento será discutido. Também serão mostradas as estruturas de bandas, os perfis de potencial e as distribuicoes de carga do semicondutor (GaMn)As, variando as densidades de portadores e a direcao do campo magnético intrínseco, gerado pela dopagem com íons magnéticos. Os resultados obtidos neste trabalho podem servir de guia para futuras experiências e para o desenvolvimento de dispositivos com semicondutores magnéticos diluídos baseados em (Zn,Co)O e (Ga,Mn)As. Os métodos aqui descritos são gerais e podem ser utilizados para outros materiais. / This work presents a self-consistent multiband effective mass theory applied to diluted magnetic semiconductor heterostructures, generalized to include parameters of different ma- terials. The magnetic interaction is described by a mean-field approximation based on indirect- exchange mecanism, with the possibility of inclusion of different magnetic ions. The effective mass equations are solved self-consistently with the help of the Poisson equation. Spin-orbit and exchange-correlation interactions are included in the simulation in the local density appro- ximation. The method is used to study band structures and charge densities separated by spin in n- and p-type heterostructures. The magnetic well\'s geometry, the superlattice period, the carrier density and the magnetic ion concentration are changed. Self-consistent solutions of the effective mass equation are found for the semiconductor oxide (Zn,Co)O. Charge separation by spin will be show in function of the variation of the simulation parameters, simulating several ion concentrations and charge densities used in systems described in literature, and the potenti- als profiles will be analised. Using the data obtained a phase diagram will be plotted, based on the carrier total or partial carrier polarization, and a model for the behavior of the phase diagram will be discussed. It will also be shown band structures, potential profiles and charge densities of the (Ga,Mn)As semiconductor, varying it carrier density and the direction of the intrinsic magnetic field, generated by the magnetic ions that doped the heterostructure. The results ob- tained in this work can be used as a guide in future experiences and development of devices with diluted magnetic semiconductors based on (Zn,Co)O and (Ga,Mn)As. The methods here described are general and can be used for other materials.

Neste trabalho apresentamos a determinação autoconsistente da constante de interação spin-órbita em heteroestruturas com duas sub-bandas. Como recentemente proposto, ao obter o hamiltoneano de um sistema com duas sub-bandas na aproximação de massa efetiva, constata-se a presença de um acoplamento inter-subbanda que não se anula mesmo em heteroestruturas simétricas. Apresentamos aqui as deduções teóricas que levaram à proposição desse novo acoplamento e mostramos o cálculo autoconsistente da intensidade do acoplamento e a comparamos com a intensidade do acoplamento Rashba, já amplamente estudado. Discutimos o método k.p e a Aproximação da Função Envelope e mostramos a obtenção do modelo de Kane 8x8 para semicondutores com estrutura zincblende. Aplicamos o método do \"folding down\'\' ao hamiltoneano de Kane isolando o setor correspondente à banda de condução. Escrevemos dessa forma um hamiltoneano efetivo para a banda de condução no contexto de um poço quântico com uma barreira. Através da projeção desse hamiltoneano nos dois primeiros estados da parte orbital verifica-se o surgimento de um acoplamento inter-subbanda. Finalmente escrevemos o hamiltoneano efetivo 4x4 que descreve as duas primeiras subbandas de um poço quântico e obtivemos seus autoestados e autoenergias. Finalmente fizemos o cálculo autoconsistente das funções de onda e energias de um gás de elétrons em poços quânticos simples e duplos através da aproximação de Hartree e a partir desses resultados determinamos o valor da constante de acoplamento Rashba e da nova constante inter-subbanda. Entre os resultados obtidos destacam-se o controle elétrico da constante de acoplamento inter-subbanda através de um eletrodo externo e um efeito de renormalização da massa efetiva que pode chegar até 5% em algumas estruturas. / In this work we present the self-consistent determination of the spin-orbit coupling constant in heterostructure with two subbands.As recently proposed, the effective hamiltonian for the conduction band in the effective mass approximation contains an inter-subband spin-orbit coupling which is non-zero even for symmetric heterostructures. We present the theoretical derivation which leads to this proposal and show a selfconsistent determination of the coupling constant. We also compare the magnitude of the new coupling constant with the usual Rashba coupling. Starting with a discussion of the k.p method and the Envelope Function Approximation (EFA) we show the derivation of the 8x8 Kane model for semiconductors with zincblende structure. We then apply the \"folding down\'\' method, isolating the conduction band sector of the EFA hamiltonian. By projecting this hamiltonian in the first two states of the orbital part, we find an effective 4x4 hamiltonian that contains an inter-subband spin orbit coupling. The eingenvalues and eigenvectors of this hamiltonian are shown and, specializing the model for single and double quantum wells, we self-consistently determine the inter-subband and Rashba coupling constants in the Hartree approximation. The results indicate the possibility of electrical control of the coupling constant and show an effective mass renormalization effect that can be up to 5% in some cases.

A partir da teoria de resposta linear (formalismo de Kubo) calculamos a condutividade de spin $\\sigma_^$ para um gás bidimensional de elétrons formado num poço quântico com duas subbandas devido a atuação de um novo tipo de interação spin-órbita [Bernardes et al. \\textit{Phys. Rev. Lett.} \\textbf, 076603 (2007) \\& Calsaverini \\textit{et al}. \\textit{Phys. Rev. B} \\textbf, 155313 (2008)]. Este novo termo é não-nulo mesmo em estruturas simétricas e surge devido ao acoplamento entre os estados confinados no poço de paridades diferentes. Encontramos um valor para $\\sigma_^$ não-nulo e não-universal (dependente da intensidade do acoplamento $\\eta$) quando somente uma das subbandas está ocupada, ao contrário de Rashba. Para encontrarmos valores realistas para $\\sigma_^$, determinamos $\\eta$ via cálculo autoconsistente. Esse cálculo é executado para diferentes valores de densidade eletrônica em poços simples e duplos. Obtivemos que $\\sigma_^$ possui um comportamento não-monótono e sofre inversão de sinal como função da energia de Fermi (densidade de elétrons) conforme ela varia entre as duas subbandas. Contudo nossos resultados indicam que a condutividade Hall de spin é muito pequena $\\left(``\\ll \\frac{8\\pi}\"ight)$ nesses sistemas (poços simples e duplos) e possivelmente não mensurável. / Using the Kubo linear response theory, we investigate spin Hall conductivity $\\sigma_^$ in a two-dimensional electron gas in quantum wells with two subbands, when intersubband-induced spin-orbit coupling is operative [Bernardes et al. \\textit{Phys. Rev. Lett.} \\textbf, 076603 (2007) \\& Calsaverini \\textit{et al}. \\textit{Phys. Rev. B} \\textbf, 155313 (2008)]. This new spin-orbit term is non-zero even in symmetric structures and it arises from the distinct parity of the confined states. We find non-zero and non-universal $\\sigma_^$ (dependent on spin-orbit coupling strength $\\eta$) when only one of the subbands is occupied. This is in contrast to the Rashba spin-orbit interaction for which $\\sigma_^$ is identically zero. To obtain realistic values for $\\sigma_^$, we develop a self-consistent scheme to calculate $\\eta$. We performed this calcultion for different values of the eletronic density in single and double wells. We find that $\\sigma_^$ shows a non-monotonic behavior and a sign change as the Fermi energy (carrier density) varies between the two subband edges. However, our results indicate that $\\sigma_^$ is extremely small $\\left(``\\ll \\frac{8\\pi}\"ight)$ and possibly not measurable.

In the research field of spintronics, it is essential to have a deep understanding of the relaxation mechanisms of the spin degree of freedom. To this end, we study the spin relaxation in semiconductor nanostructures with spin-orbit interaction. First we analyze the spin decay and dephasing in graphene quantum dots within the framework of the Bloch-Redfield theory. We consider a gate-tunable circular graphene quantum dot where the intrinsic and Rashba spin-orbit interactions are operative. We derive an effective Hamiltonian via the Schrieffer-Wolff transformation describing the coupling of the electron spin to potential fluctuations generated by the lattice vibrations. The spin relaxation occurs with energy relaxation provided by the electron-phonon coupling and the spin-flip transition assisted by spin-orbit interactions. We predict a minimum of the spin relaxation time T1 as a function of the external magnetic field Bext caused by the Rashba spin-orbit coupling-induced anticrossing of opposite spin states. By constrast, the intrinsic spin-orbit interaction leads to monotonic behavior of T1 with Bext due to direct spin-phonon coupling. We also demonstrate that the spin decoherence time T2 = 2T1 in graphene is dominated by relaxation processes up to leading order in the spin-orbit interaction and the electron-phonon coupling mechanisms. Secondly, we develop a numerical model to account for the D´yakonov-Perel spin relaxation mechanism in multisubband quantum wires. We consider the elastic spin-conserving scattering events in the time-evolution operator and then evaluate the time-dependent expectation value of the spin operators. After averaging these results over an ensemble, we can extract the spin relaxation time as a function of Bext. We observe a non-monotonic behavior for the spin relaxation time with Bext aligned perpendicularly to the quantum wire. This effect is called ballistic spin resonance. In our model, the ballistic spin resonance occurs near the subband anticrossing induced by the subband-spin mixing spin-orbit interaction term. In systems with weak spin-orbit coupling strenghts, no spin resonance is observed when Bext is parallel to the channel. Nevertheless, we also predict the emergence of anomalous resonances plateaus in systems with strong spin-orbit couplings even when Bext is aligned with the quantum wire. Finally, we predict the emergence of a robust spin-density helical crossed pattern in two-dimensional electron gas with Rashba α and Dresselhaus β spin-orbit couplings. This pattern arises in a quantum well with two occupied subbands when the spin-orbit coupling strenghts are tuned to have equal absolute strengths but opposite signs, e.g., α1 = +β1 e α2 = −β2 for the first v = 1 and second v = 2 subbands. We named this novel pattern as crossed persistent spin helices. We analyze the spin-charge coupled diffusion equations in order to investigate the lifetime of the crossed persistent spin helices and the feasibility of probing the crossed persistent spin helix mode. We also study the inteband spin-orbit interaction effects on the crossed persistent spin helices, energy anticrossings and spin textures induced by the interband spin-orbit coupling / No campo de pesquisa denominado spintrônica é de fundamental importância o entendimento dos mecanismos de relaxação de spin. A fim de contribuir com esse objetivo, estudamos a relaxação de spin em nanoestruturas semicondutoras na presença da interação spin-órbita. Primeiramente, analisamos o decaimento e defasamento do spin eletrônico em pontos quânticos formados no grafeno usando a teoria de Bloch-Redfield. Consideramos um ponto quântico circular com as interações spin-órbita intrínseca e de Rashba. A relaxação de spin ocorre via relaxacação de energia pela interação elétron-fônon acompanhado do mecanismo de spin-flip auxiliado pela interação spin-órbita. Previmos a presença de um mínimo no tempo de relaxação de spin T1 em função do campo magnético externo Bext causado pelo acoplamento spin-órbita de Rashba que por sua vez leva a cruzamento evitado de níveis de energia com spins opostos. Em contraste, a interação spin-órbita intrínseca gera um comportamento monotônico de T1 com Bext devido ao acoplamento direto spin-fônon. Demonstramos também que o tempo de decoerência de spin T2 = 2T1 é dominado por contribuições dos mecanismos de relaxação em primeira ordem na interação spin-órbita e na interação elétron-fônon. Desenvolvemos também um modelo numérico que leva em conta o mecanismo de relaxação de spin de D´yakonov-Perel em fios quânticos com múltiplas subbandas. Consideramos espalhamentos elásticos, que conservam a orientação do spin, no operador evolução temporal. Em seguida, calculamos o valor esperado dos operadores de spin dependentes do tempo para um ensemble de elétrons. Por fim, extraímos o tempo de relaxação de spin em função do campo magnético externo Bext. Observamos um comportamento não-monotônico da relaxação de spin para um campo Bext alinhado perpendicularmente ao fio quântico. Em sistemas com acoplamento spin-órbita fracos, nenhuma ressonância de spin é encontrada quando Bext está alinhado paralelamento ao fio quântico. No entanto, previmos o aparecimento de ressonâncias de spin anômalas em sistemas com forte acoplamento spin-órbita mesmo quando Bext está alinhado ao canal balístico. Por fim, estudamos a formação de uma densidade de spin helicoidal cruzada e robusta contra espalhamento por impurezas em um gás bi-dimensional de elétrons na presença das interações spin-órbita de Rashba α and Dresselhaus β. Generalizamos o efeito previsto para um poço quântico com uma subbanda para duas subbandas ocupadas quando as interações spin-órbita assumem o mesmo valor em intensidade mas sinais opostos, e.g., α1 = +β1 e α2 = −β2 para a primeira v = 1 e segunda v = 2 subbandas. Denominamos esse novo padrão de helicóides de spin persistentes e cruzadas. Analisamos as equações de difusão com carga e spin acoplados com o intuito de investigarmos o tempo de vida das densidades de spin helicoidais cruzadas e a possibilidade de medi-las com os experimentos atuais. Estudamos também o efeito da interação spin-órbita interbanda na relaxação dos modos helicoidais de spin, espectro de energia com cruzamentos evitados e texturas de spin

Apresento neste trabalho uma derivação alternativa da hamiltoniana efetiva para um elétron na banda de condução de uma heteroestrutura semicondutora de rede Zincblende. Partindo do modelo de Kane 8 × 8 e da aproximação das funções envelope, esta hamiltoniana efetiva foi obtida com a linearização dos denominadores (dependentes das autoenergias) presentes na equação para a banda de condução, sob a hipótese de que o gap de energia seja muito maior que todas as demais diferenças de energia envolvidas (verdade para a maioria das estruturas Zincblende). A partir de um procedimento introduzido previamente1,3, desenvolvi um procedimento mais geral que implementa sistematicamente esta linearização até segunda ordem no inverso do gap de energia e que corrige a normalização do spinor da banda de condução usando as bandas de valência. Este procedimento é idêntico à expansão em série de potência no inverso da velocidade da luz utilizada para se obter aproximações relativísticas da equação de Dirac. Uma vantagem deste procedimento é a arbitrariedade na forma dos potenciais, o que implica na validade da hamiltoniana resultante para poços, fios e pontos quânticos. Evidencio também as consequências de cada termo desta hamiltoniana efetiva para os autoestados eletrônicos em poços retangulares, incluindo termos independentes de spin inéditos (Darwin e interação momento linearcampo elétrico). Estes resultados estão de acordo com os estudos anteriores4. A fim de estudar transições ópticas dentro da banda de condução, mostro que o acoplamento mínimo pode ser realizado diretamente na hamiltoniana de Kane se os campos externos variam tão lentamente quanto as funções envelope. Repetindo a linearização dos denominadores de energia, derivo uma hamiltoniana efetiva para a banda de condução com acoplamentos elétron-fótons. Um destes acoplamentos, induzido exclusivamente pela banda de valência, origina transições mediadas pelo spin eletrônico. Estas transições assistidas por spin possibilitam mudanças, opticamente induzidas, na orientação do spin eletrônico, um fato que talvez possa ser útil na construção de dispositivos spintrônicos. Por fim, as taxas de transição deste acoplamento apresentam saturação e linhas de máximos e mínimos no espaço recíproco. Espero que estas acoplamentos ópticos possam auxiliar na observação dos efeitos dos acoplamentos spin-órbita intra (Rashba) e intersubbandas. / In this work, I present an alternative derivation of the conduction band effective hamiltonian for Zincblende semiconductor heterostructures. Starting from the 8×8 Kane model and envelope function approximation, this effective hamiltonian was obtained by means of a linearization in the eigenenergy-dependent denominators present the conduction band equation, under the hypothesis that the energy gap is bigger than any other energy difference in the system (true for mostly every Zincblende semiconductor bulk or heterostructure). Based on a previous procedure1,3, I have developed a more general procedure that implements sistematicaly (i) this linearization and (ii) renormalizes the conduction band spinor using the valence bands, both (i) and (ii) up to second order in the inverse of the energy gap. This procedure is identical to the expansion in power series of the inverse of the light speed used to derive non-relativistic approximations of the Dirac equation. One advantage of this procedure is the generality of the potentials adopted in our derivation: the same results hold for quantum wells, wires and dots. I show the consequences of each term of this hamiltonian for the electron eigenstates in retangular wells, including novel spin-independent terms (Darwin and linear momentumelectric field couplings). These resulties agree with previous works4. In order to study conduction band optical transitions, I show that the minimal substitution can be performed directly in the Kane hamiltonian if the external fields vary slowly (at least, as slowly as the envelope functions). Repeating the linearization of the energy denominators, I derive a new effective hamiltonian, up to second order in the inverse of the energy gap, with electron-photons couplings. One of these couplings, induced exclusively by the valence bands, gives rise to optical transitions mediated by the electron spin. This spin-assisted coupling enable optically-induced spin flipps in conduction subband transitions, which can be useful in the construction of spintronic devices. Finaly, the spin-assisted transitions rates show saturation and lines of maxima and minima in the reciprocal lattice. I hope that these optical couplings can be of any help in the observation of interesting effects induced by the intra and intersubband spin-orbit coupling.

Submitted by Cláudia Bueno (claudiamoura18@gmail.com) on 2015-10-15T20:22:58Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Hermínia Veridiana dos Santos Pessoni e Silva - 2014.pdf: 14354082 bytes, checksum: d89e39503d04982864d158786be9e59b (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Rejected by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com), reason: A primeira letra das palavras-chaves são em maiúscula. Vc colocou: ferromagnetism, reação de combustão, BMP, spintrônica, combustion reaction spintonics on 2015-10-16T11:10:10Z (GMT) / Submitted by Cláudia Bueno (claudiamoura18@gmail.com) on 2015-10-16T16:35:28Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação - Hermínia Veridiana dos Santos Pessoni e Silva - 2014.pdf: 14354082 bytes, checksum: d89e39503d04982864d158786be9e59b (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2015-10-19T14:33:30Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação - Hermínia Veridiana dos Santos Pessoni e Silva - 2014.pdf: 14354082 bytes, checksum: d89e39503d04982864d158786be9e59b (MD5) / Made available in DSpace on 2015-10-19T14:33:30Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Dissertação - Hermínia Veridiana dos Santos Pessoni e Silva - 2014.pdf: 14354082 bytes, checksum: d89e39503d04982864d158786be9e59b (MD5) Previous issue date: 2014-05-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work has as a general proposition the production of a DMS based on ZnO semiconductor and Co transition metal, as well as the study of the origin of ferromagnetism in these materials using the models of magnetic interaction in the literature. The combustion reaction was chosen as a synthesis route for the production of samples Zn1 - x Co x O with molar concentrations of x= 0,00, 0,005, 0,01, 0,03, 0,05, 0,07 and 0,09. The samples were obtained in the form of powders and chemical, structural and morphological characterization performed by EDS, DRX e MET measures. These characterizations indicated good crystallinity with the formation of the hexagonal crystalline phase wurtizita characteristic of ZnO without adding spurious phase for all molar concentrations. Powders presented nanometric dimension (~ 18 nm) with spherical particle shape and molars contractions of very similar elements of stoichiometric proposals. The optical characterizations via FTIR e UV-Vis confirmed the presence of the bond Zn - O and the replacement of Zn for Co in tetrahedral sites in ZnO crystal structure in the samples with x 0,00. By UV-Vis spectroscopy was also possible to obtain the optical bandgap values of the samples and confirm the semiconducting property, as well as calculate the dielectric constant of these materials. Magnetic characterizations performed by VSM measures (room temperature and high temperature) and Magnetometry at low temperatures indicated wide variety of magnetic systems in the studied temperature range. The x = 0,05 sample showed ferromagnetism across the temperature range of 5< Y (K) < 594. This same sample showed a value of 2,66 effective moment magnetic dipole and 2,52 for the saturation magnetization at low temperatures, that are significant results compared to several papers published. Through adjustments to the theoretical models, the ferromagnetism at low temperatures was attributed to the BMP magnetic interaction model. The room temperature ferromagnetismo was attibuted to the RKKY interaction model due to the high density of defects and free charge carriers in the samples. / Este trabalho teve como proposta geral a produção de um DMS com base no semicondutor ZnO e no metal de transição Co, bem como o estudo da origem do ferromagnetismo neste material utilizando de modelos de interação magnética existentes na literatura. A reação de combustão foi escolhida como rota de síntese para a produção das amostras de Zn1 -xCox O com concentrações molares de x= 0,00, 0, 005, 0,01, 0,03, 0,05, 0,07 e 0,09. As amostras foram obtidas na forma de pós e as caracterizações químicas, estruturais e morfológicas realizadas por meio de medidas de EDS, DRX e MET. Estas caracterizações indicaram boa cristalinidade com formação da fase cristalina hexagonal wurtizita característica do ZnO sem adição de fase espúria para todas as concentrações molares. Os pós apresentaram dimensão nanométrica (~ 18 nm) com formato esférico das partículas e contrações molares dos elementos muito próximas das propostas estequiometricamente. As caracterizações ópticas via FTIR e UV-Vis confirmaram a presença da ligação e a substituição do Zn por Co nos sítios tetraédricos da estrutura cristalina do ZnO nas amostras com x diferente 0,00. Pela espectroscopia UV-Vis também foi possível obter os valores de bandgap óptico das amostras e confirmar a propriedade de semicondutividade, bem como, calcular a constante dielétrica destes materiais. Já as caracterizações magnéticas realizadas via medidas de VSM (temperatura ambiente e a altas temperaturas) e Magnetometria à baixas temperaturas indicaram grande variedade de ordenamentos magnéticos em toda a faixa de temperatura estudada sendo ferromagnetismo identificado na faixa de temperatura de 5 < T (K) < 594 para a amostra x = 5. Essa amostra também apresentou valor de 2,66 para o momento de dipolo magnético efetivo e 2,52 para a magnetização de saturação à baixas temperaturas que são resultados expressivos em comparação à diversos trabalhos publicados. O ferromagnetismo à baixas temperaturas foi atribuído, por meio de ajustes com os modelos teóricos, ao modelo de interação magnética BMP, já o ferromagnetismo à temperatura ambiente ao modelo de interação RKKY devido à alta densidade de defeitos e portadores de cargas livres nas amostras.

Recentemente um enorme esforço esta sendo feito na busca de bons materiais para aplicação na nova área emergente da eletrônica, a spintrônica. O estudo teórico tem se mostrado de fundamental importância em tal busca. Na presente dissertação estão alguns dos resultados de um estudo computacional envolvendo cálculos de primeiros princípios em Física dos Materiais. Utilizamos a ferramenta Vienna Ab-initio Simulation Package com suas implementações de funcionais de troca-correlação, para simular sistemas cristalinos de nitretos dos metais de transição (MT) vanádio (V), cromo (Cr), ferro (Fe) e cobalto (Co) na composição do tipo N-MT. Tomando como base a importância geral dos semicondutores existentes, escolhemos as estruturas zincblende(B3) e wurzita(B4), bem como a estrutura NaCl (B1) - esta ´ultima apenas para alguns cálculos do CrN. Determinamos teoricamente as constantes de rede de todos os materiais com a realização de minimizações completas das estruturas, relaxando os parâmetros geométricos. Tais resultados mostraram-se de ótima capacidade preditiva quando comparados com os valores experimentais. Sempre com o foco na spintrônica, estudamos diversas configurações magnéticas, e conseguimos com sucesso obter alguns materiais ferromagnéticos em seu estado fundamental. Seguindo a idéia de aplicação, estudamos o magnetismo dos diversos nitretos sob tensionamento hidrostático (expansão e compressão da célula), obtendo excelentes resultados, como o interessante caminho de transição magnética para o estado de meio-metal para os materiais na estrutura zincblende. Notadamente, as constantes el´asticas e bulk moduli de muitos materiais foram determinados - segundo os nossos conhecimentos, alguns deles pela primeira vez. Também realizamos um estudo inicial da estrutura eletrônica, com cálculos de densidades de estados e estruturas de bandas, tanto no estado fundamental, como sob tensionamento, e verificamos com sucesso a teoria de Stoner do magnetismo itinerante. Finalizamos o trabalho tocando no problema do tensionamento biaxial (planar), com o objetivo de estudar o magnetismo, a estrutura eletrônica e a estabilidade dos nitretos magnéticos, particularmente do CrN zincblende, no processo de crescimento epitaxial de filmes e heteroestruturas. / Recently a huge effort is been done to find good materials in order to aplied in a new eletronic area, spintronics.

Estudamos transporte quântico dependente de spin em sistemas de ponto e de poço quântico acoplados a contatos magnéticos. O primeiro passo do nosso estudo foi a dedução de fórmulas originais para a corrente e para o ruído em sistemas com tunelamento dependente de spin, através do formalismo de funções de Green de mão equilíbrio. As equações deduzidas reproduzem casos limites da literatura - em particular as fórmulas de Landauer-Buttiker. Posteriormente aplicamos essas fórmulas para estudar três sistemas distintos: (1) ponto quântico acoplado a contatos ferromagnéticos, (2) um ponto quântico acoplado a múltiplos terminais ferromagnéticos, e (3) um poço quântico acoplado a terminais de semicondutor magnético diluído (DMS). No sistema (1) consideramos os alinhamentos paralelo (P) e anti-paralelo (AP) entre as magnetizações dos terminais. Nesse sistema levamos em conta interação de Coulomb e espalhamento de spin no ponto quântico. Com as fórmulas para corrente e ruído deduzidas aqui, encontramos, por exemplo, que a interação de Coulomb, combinada com o magnetismo dos eletrodos, leva a um bloqueio de Coulomb dependente de spin. Esse efeito por sua vez leva a uma polarização da corrente que pode ser modulada (intensidade e sinal) através de uma tens~ao externa. Também encontramos que o espalhamento de spin leva a comportamentos contrastantes entre corrente e ruído. Enquanto a corrente na configuração AP aumenta com a taxa de espalhamento de spin R, o ruído nessa mesma configuração é suprimido para uma certa faixa de valores de R. Um outro efeito interessante que observamos foi a possibilidade de se suprimir o ruído térmico através de uma tensão de porta. Para o sistema (2) mostramos que é possível injetar corrente &#8593-polarizada no ponto quântico e coletar simultaneamente correntes &#8593 e &#8595 polarizadas em terminais diferentes. Além disso, a corrente ao passar do reservatório emissor para um dos reservatórios coletores tem a sua polarização intensificada. Portanto esse sistema pode operar como inversor e amplificador de polarização de corrente. Por último, analisamos os efeitos de terminais DMS e quantização de Landau (na presença de um campo magnético externo) sobre a corrente e o ruído no sistema (3). Encontramos que o efeito Zeeman gigante nos terminais DMS, gerado pela interação de troca s-d, leva a uma polarização da corrente. Em particular, para uma certa faixa de tensão o efeito Zeeman gigante resulta na completa supressão de uma dada componente de spin no transporte. Com isso é possível controlar a polarização da corrente através de uma tensão externa. Também observamos oscilações na corrente, no ruído e no fator de Fano como função do campo magnético. / We study spin dependent quantum transport in quantum dots and quantum well devices attached to magnetic leads. We first derive general formulas, including electron-electron interaction and spin flip, for both current and noise, using the no equilibrium Green function technique (Keldysh). From our equations we regain limiting cases in the literature - in particular the Landauer-Buttiker formula when we neglect electron-electron interaction. We apply these formulas to study three distinct systems: (1) a quantum dot attached to two ferromagnetic leads, (2) a quantum dot linked to many ferromagnetic leads, and (3) a quantum well coupled to dilute magnetic semiconductor (DMS) terminals. In the first system we consider both parallel (P) and anti-parallel (AP) ferromagnetic alignments of the leads. Coulomb interaction and spin flip scattering are also taken into account. With the formulas for the current and the noise derived here, we find, for instance, that the Coulomb interaction, combined with the magnetism of the electrodes, gives rise to a spin-dependent Coulomb blockade. This effect allows the control (intensity and sign) of the current polarization via the bias voltage. We also observe that spin flip scattering yields contrasting behavior between current and shot noise. While the current in the AP configuration increases with the spin flip, the shot noise becomes suppressed for a range of spin flip rates. Another interesting finding is the possibility to suppress the thermal noise via a gate voltage. For the dot coupled to three magnetic leads, we show that it is possible to inject current &#8593-polarized into the dot from the FM emitter, detect simultaneously &#8593 and &#8595 - polarized currents at distinct collectors. In addition, we find that the current has its polarization amplified when going from the emitter to one of the collectors. Therefore we have a device that operates as both as current polarization inverter and amplifier. Finally, we analyze the effects of DMS leads and Landau quantization on the current and noise of system (3). We and that the giant Zeeman effect in the DMS leads, due to the it s-d exchange interaction, gives rise to a spin polarized current, and for a particular bias voltage range, full suppression of one spin component. This gives rise to the possibility of tuning the current polarization via the bias voltage. We also observe oscillations in the current, the noise and the Fano factor as a function of the magnetic field.

Recentemente um enorme esforço esta sendo feito na busca de bons materiais para aplicação na nova área emergente da eletrônica, a spintrônica. O estudo teórico tem se mostrado de fundamental importância em tal busca. Na presente dissertação estão alguns dos resultados de um estudo computacional envolvendo cálculos de primeiros princípios em Física dos Materiais. Utilizamos a ferramenta Vienna Ab-initio Simulation Package com suas implementações de funcionais de troca-correlação, para simular sistemas cristalinos de nitretos dos metais de transição (MT) vanádio (V), cromo (Cr), ferro (Fe) e cobalto (Co) na composição do tipo N-MT. Tomando como base a importância geral dos semicondutores existentes, escolhemos as estruturas zincblende(B3) e wurzita(B4), bem como a estrutura NaCl (B1) - esta ´ultima apenas para alguns cálculos do CrN. Determinamos teoricamente as constantes de rede de todos os materiais com a realização de minimizações completas das estruturas, relaxando os parâmetros geométricos. Tais resultados mostraram-se de ótima capacidade preditiva quando comparados com os valores experimentais. Sempre com o foco na spintrônica, estudamos diversas configurações magnéticas, e conseguimos com sucesso obter alguns materiais ferromagnéticos em seu estado fundamental. Seguindo a idéia de aplicação, estudamos o magnetismo dos diversos nitretos sob tensionamento hidrostático (expansão e compressão da célula), obtendo excelentes resultados, como o interessante caminho de transição magnética para o estado de meio-metal para os materiais na estrutura zincblende. Notadamente, as constantes el´asticas e bulk moduli de muitos materiais foram determinados - segundo os nossos conhecimentos, alguns deles pela primeira vez. Também realizamos um estudo inicial da estrutura eletrônica, com cálculos de densidades de estados e estruturas de bandas, tanto no estado fundamental, como sob tensionamento, e verificamos com sucesso a teoria de Stoner do magnetismo itinerante. Finalizamos o trabalho tocando no problema do tensionamento biaxial (planar), com o objetivo de estudar o magnetismo, a estrutura eletrônica e a estabilidade dos nitretos magnéticos, particularmente do CrN zincblende, no processo de crescimento epitaxial de filmes e heteroestruturas. / Recently a huge effort is been done to find good materials in order to aplied in a new eletronic area, spintronics.

Neste trabalho, apresentamos estudos sobre o magnetotransporte em um sistema de bicamadas com uma rede de antipontos triangulares em campos magnéticos baixos sob a aplicação de campos elétricos externos, que são produzidos por voltagens de porta. A bicamada é feita em poços quânticos largos (wide quantum well) de alta densidade eletrônica, formado em heteroestruturas semicondutoras de AlxGa1xAs=GaAs. Oscila- ções magneto-inter-sub-banda (MIS) são observadas em poços quânticos largos de alta densidade eletrônica com duas sub-bandas ocupadas. Estas são originadas pelo espalhamento inter-sub-bandas e tem um máximo para campos magnéticos B que satisfazem a condição de alinhamento entre os leques dos níveis de Landau de cada sub-banda. Oscila- ções de comensurabilidade são observadas na magnetoresistência que é sensível ao arranjo do potencial dos antipontos. A aplicação de campos elétricos faz diminuir o número de oscilações na magnetoresistência para campos magnéticos compreendidos entre 0; 1T e 0; 4T, observando-se uma transição das oscilações MIS aos efeitos de comensurabilidade. Aplicando voltagens de porta podemos variar a amplitude do potencial dos antipontos. / In this work, we present studying about magnetotransport in a bilayer system with triangular antidot lattices in low magnetic elds under the application of external electric eld. The bilayer forms inside a wide quantum well of high electron density in semiconductor heterostructures formed by AlxGa1xAs=GaAs. Magneto-inter-subband (MIS) oscillations are observed in a wide quantum wells of high electron density with two subbands occupied, and they are caused by intersubband scattering and have a maximum for a magnetic eld B that satises the alignment condition between the staircase of Landau level. Commensurability oscillations are observed in magnetoresistance, which is sensitive to the potential of antidot arrangements. The application of electric elds decrease the number of oscillations in the magnetoresistance for magnetic elds between 0; 1T and 0:4T, showing a transition of MIS oscillations to commensurability oscillations. We varied the amplitude of the potential of the antidots applying dierent gate voltages.