Neste trabalho estudamos as propriedades eletrônicas e as estabilidades estruturais do cristal de ZrO2 e dos defeitos de vacância de oxigênio e impureza substitucional de cério. As investigações foram efetuadas através de simulações computacionais baseadas em métodos de primeiros princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade e utilizando o método APW + lo (Aumengted Plane Waves plus local orbitals), implementado no código computacional WIEN2k, dentro do esquema de supercélula, com relaxações atômicas tratadas de modo apropriado. A zircônia apresenta 3 fases estruturais, dependendo da temperatura. Sua fase mais estável é a monoclínica e, a altas temperaturas, ela apresenta as fases tetragonal e cúbica, sendo estas duas últimas as mais importantes para aplicações tecnológicas. Ela pode ser estabilizada em uma condição metaestável em uma estrutura quase cúbica quando crescida na forma de pós nanocristalinos, com tamanhos menores que um certo tamanho crítico. Outra maneira de se estabilizar as estruturas cúbica e tetragonal, a temperatura ambiente, é através da adição de dopantes, entre eles o cério. Nesses casos, estão sempre presentes vacâncias de oxigênio. Neste trabalho, para o cristal puro de ZrO2, foram calculadas as propriedades das estruturas cristalinas cúbica e tetragonal, constatando-se que a estrutura quase cúbica, proposta em várias investigações relatadas na literatura, pode ser interpretada como uma estrutura tetragonal de corpo centrado, com pequenos deslocamentos dos átomos de oxigênio na direção k . Destes resultados, propomos que nas análises dos dados experimentais obtidos por difração de raios-X e EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) sejam utilizadas simulações onde a estrutura tetragonal de corpo centrado seja considerada como uma possível estrutura para o cristal. Dos estudos da vacância de oxigênio, obtivemos que sua presença quebra a simetria local do sistema e faz com que existam três diferentes distâncias entre um átomo de Zr e os átomos primeiros vizinhos de oxigênio, podendo, também, explicar resultados experimentais de difração de raios-X e EXAFS. Para o centro de impureza substitucional de Ce no sítio do átomo de Zr, nossos resultados apresentam uma possível explicação de porque as impurezas de Ce, em diferentes concentrações, estabilizam o ZrO2 nas estruturas tetragonal e cúbica. / In this investigation we studied the electronic properties and the structural stabilities of zirconia (ZrO2), as well as oxygen vacancy and Ce substitutional impurity. The investigations were carried by computational simulations using ab initio methods, based on the density functional theory and the APW + lo (Aumengted Plane Waves plus local orbitals) method, as implemented in the WIEN2k code, considering the supercell approach and atomic relaxations. Concerning the ZrO2 bulk, the tetragonal (quasi-cubic) phase is not thermodynamically stable at room temperature, but it can be retained in a metastable condition in nanocrystalline powders with crystallite sizes smaller than a certain critical size, or throught addition of dopants, for example cerium. In this cases, oxygen vacancies are always present. In this work we have obtained the properties of the cubic and tetragonal phases of ZrO2. From the results, we propose that the quasi-cubic structure presented in many articles can be understood as a body centered tetragonal structure, with small oxygen atoms displacement perpendicular to the k direction. Those results suggest that the analysis of the X-ray and EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) data should include in the crystallographic model the body-center tetragonal structure. The results of the structural and electronic properties of the oxygen vacancy suggest that its presence could explain the different models of the Zr first neighbor oxygen shell. For the Ce substitutional impurity, our results present a possible explanation why these impurities, in several concentrations, are able to stabilize the ZrO2 in the tetragonal and cubic phases.

Neste trabalho estudamos as propriedades eletrônicas e as estabilidades estruturais do cristal de ZrO2 e dos defeitos de vacância de oxigênio e impureza substitucional de cério. As investigações foram efetuadas através de simulações computacionais baseadas em métodos de primeiros princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade e utilizando o método APW + lo (Aumengted Plane Waves plus local orbitals), implementado no código computacional WIEN2k, dentro do esquema de supercélula, com relaxações atômicas tratadas de modo apropriado. A zircônia apresenta 3 fases estruturais, dependendo da temperatura. Sua fase mais estável é a monoclínica e, a altas temperaturas, ela apresenta as fases tetragonal e cúbica, sendo estas duas últimas as mais importantes para aplicações tecnológicas. Ela pode ser estabilizada em uma condição metaestável em uma estrutura quase cúbica quando crescida na forma de pós nanocristalinos, com tamanhos menores que um certo tamanho crítico. Outra maneira de se estabilizar as estruturas cúbica e tetragonal, a temperatura ambiente, é através da adição de dopantes, entre eles o cério. Nesses casos, estão sempre presentes vacâncias de oxigênio. Neste trabalho, para o cristal puro de ZrO2, foram calculadas as propriedades das estruturas cristalinas cúbica e tetragonal, constatando-se que a estrutura quase cúbica, proposta em várias investigações relatadas na literatura, pode ser interpretada como uma estrutura tetragonal de corpo centrado, com pequenos deslocamentos dos átomos de oxigênio na direção k . Destes resultados, propomos que nas análises dos dados experimentais obtidos por difração de raios-X e EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) sejam utilizadas simulações onde a estrutura tetragonal de corpo centrado seja considerada como uma possível estrutura para o cristal. Dos estudos da vacância de oxigênio, obtivemos que sua presença quebra a simetria local do sistema e faz com que existam três diferentes distâncias entre um átomo de Zr e os átomos primeiros vizinhos de oxigênio, podendo, também, explicar resultados experimentais de difração de raios-X e EXAFS. Para o centro de impureza substitucional de Ce no sítio do átomo de Zr, nossos resultados apresentam uma possível explicação de porque as impurezas de Ce, em diferentes concentrações, estabilizam o ZrO2 nas estruturas tetragonal e cúbica. / In this investigation we studied the electronic properties and the structural stabilities of zirconia (ZrO2), as well as oxygen vacancy and Ce substitutional impurity. The investigations were carried by computational simulations using ab initio methods, based on the density functional theory and the APW + lo (Aumengted Plane Waves plus local orbitals) method, as implemented in the WIEN2k code, considering the supercell approach and atomic relaxations. Concerning the ZrO2 bulk, the tetragonal (quasi-cubic) phase is not thermodynamically stable at room temperature, but it can be retained in a metastable condition in nanocrystalline powders with crystallite sizes smaller than a certain critical size, or throught addition of dopants, for example cerium. In this cases, oxygen vacancies are always present. In this work we have obtained the properties of the cubic and tetragonal phases of ZrO2. From the results, we propose that the quasi-cubic structure presented in many articles can be understood as a body centered tetragonal structure, with small oxygen atoms displacement perpendicular to the k direction. Those results suggest that the analysis of the X-ray and EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) data should include in the crystallographic model the body-center tetragonal structure. The results of the structural and electronic properties of the oxygen vacancy suggest that its presence could explain the different models of the Zr first neighbor oxygen shell. For the Ce substitutional impurity, our results present a possible explanation why these impurities, in several concentrations, are able to stabilize the ZrO2 in the tetragonal and cubic phases.

I study dusty plasma produced by electrostatically confining melamine formaldehyde microparticles in a radio-frequency glow discharge plasma. Dusty plasma is a mixture of particles of solid matter (dust), electrons, ions, and neutral gas atoms. The dust particles have a very high charge and a mass compared to the electrons and ions in the ambient plasma. As a consequence, a dusty plasma exhibits collective phenomena such as dust acoustic waves, crystallization, and melting. The discrete nature of dust particles gives rise to compressibility. In this thesis I report findings of four tasks that were performed to investigate dust acoustic waves, compressibility, and melting. First, the nonlinear phenomenon of synchronization was characterized experimentally for the dust acoustic wave propagating in a dust cloud with many layers. I find four synchronized states, with frequencies that are multiples of 1, 2, 3, and 1/2 of the driving frequency. Comparing to phenomena that are typical of the van der Pol paradigm, I find that synchronization of the dust acoustic wave exhibits the signature of the suppression mechanism but not that of the phaselocking mechanism. Additionally, I find that the synchronization of the dust acoustic wave exhibits three characteristics that differ from the van der Pol paradigm: a threshold amplitude that can be seen in the Arnold tongue diagram, a branching of the 1:1 harmonic tongue at its lower extremity, and a nonharmonic state. Second, to assess which physical processes are important for a dust acoustic instability, I derived dispersion relations that encompass more physical processes than commonly done. I investigated how various physical processes affect a dust acoustic wave by solving these dispersion relations using parameters from a typical dust acoustic wave experiment. I find that the growth rate diminishes for large ion currents. I also find that the compressibility, a measure of the coupling between the dust particles, have a strong effect on the wave propagation. Comparing the kinetic vs. hydrodynamic descriptions for ions, I find that under typical laboratory conditions the inverse Landau damping and the ion-neutral collisions contribute about equally to the dust acoustic instability. Third, I performed dust acoustic wave experiments to resolve a previously unremarked discrepancy in the literature regarding the sign of the compressibility of a strongly-coupled dust component in a dusty plasma. According to theories compressibility is negative, whereas experiments suggest that it is positive. I find that the compressibility is positive. This conclusion was reached after allowing for a wide range of experimental uncertainties and model dependent systematic errors. Finally, the polygon construction method of Glaser and Clark was used to characterize crystallization and melting in a single-layer dusty plasma. Using particle positions measured in a previous dusty plasma experiment, I identified geometrical defects, which are polygons with four or more sides. These geometrical defects are found to proliferate during melting. I also identify a possibility of latent heat involvement in melting and crystallization processes of a dusty plasma.

Super-redes semicondutoras consistem de materiais semicondutores de gaps diferentes arranjados periodicamente. Os elétrons das camadas de gap mais estreito acoplam-se por tunelamento através das camadas de gap mais largo formando faixas energéticas, denominadas minibandas. A largura de uma mini banda é definida pela diferença entre seus dois limiares, o fundo e o topo. Uma singularidade de Van Hove é associada a cada limiar da minibanda. A detecção direta de uma minibanda exige técnicas experimentais que sejam sensíveis a estas singularidades. Um exemplo de técnica deste tipo, e que é frequentemente utilizada, é o efeito Shubnikov-de Haas(SdH). Outra técnica é a espectroscopia de absorção associada a transições entre a faixa de valência e a faixa de condução. Neste caso, são observados picos excitônicos associados às duas singularidades na densidade de estados. Porém, a separação em energia entre os picos de absorção não é uma medida direta ela largura da rninibanda: para estimar a largura ela minibanda seria necessário conhecer com precisão as energias de ligação dos dois tipos de éxcitons, sendo que a diferença entre estes valores é da mesma ordem de grandeza que a largura da minibanda. A formação de estados excitônicos pode ser evitada através ela dopagem, que introduz a blindagem de Coulomb e o preenchimento do espaço de fase. Entretanto, em super-redes dopadas convencionalmente, a fotoluminescência (PL) é inteiramente dominada por transições entre estados de Tamm, impedindo novamente a detecção de transições inter bandas associadas aos estados de minibanda. Neste trabalho investigamos a possibilidade de evitarmos tanto a formação de estados excitônicos quanto a formação de estados ele Tamm em super-redes com dopagem modulada, a fim de detectarmos diretamente transições interbandas associadas aos estados estendidos de minibanda por medidas de PL. A partir da solução numérica das equações de Schrödinger e Poisson foi verificado que o perfil de dopagem modulada que evita a formação de estados de Tamm consiste numa super-rede dopada planarmente no centro das camadas de gap mais largo, e também nas camadas externas, sendo o valor da dopagem nas camadas externas igual à metade do valor da dopagem nas camadas internas. Investigamos no laboratório este tipo de super-rede e confirmamos através de medidas elo efeito ScliI em ângulos oblíquos, que efetivamente os estados de Tamm não estão presentes em estruturas com este perfil de dopagem. O espectro de PL é caracterizado por uma banda cuja largura é aproximadamente igual à energia de Fermi, e é situada em energias superiores ao gap ela camada de confinamento. Estas características são indicativas de que o espectro observado é devido a transições associadas aos estados de minibanda. A fim de comprovarmos esta interpretação detectamos e analisamos o espectro de PL em função do campo magnético. Para analisar o espectro de PL desenvolvemos um modelo teórico para a forma de linha ela PL em função do campo magnético. Utilizando o modelo teórico desenvolvido foi possível realizar um levantamento completo das características da super-rede extraindo valores para a largura energética da minibanda, a massa reduzida do par elétron-buraco e a energia do gap renormalizada. Este último parâmetro não era acessível pelas técnicas mencionadas anteriormente e foi medido pela primeira vez neste trabalho. O acesso a ele abre uma nova perspectiva para o estudo de efeitos de muitos corpos em estruturas onde a dimensionalidade do sistema eletrônico pode ser controlada artificialmente. Esta perspectiva é explorada neste trabalho. / Semiconductor superlattices consist of semiconductor materials with different gaps, arranged periodically. The electrons of the narrow gap layer, coupled by tunneling through the wider gap layer, form an energy miniband. The width of a miniband is equal to the difference in energy between its two edges, the bottom and the top. A Van Hove singularity is associated with each edge of the miniband. The direct detection of a miniband demands experimental techniques sensitive to these singularities. One example of such a technique is the Shubnikov-de Haas effect (SdH). Another technique is the absorption spectroscopy associated with transitions between the valence and the conduction bands. In this case, excitonic peaks associated with the two singularities in the density of states are observed. However, to estimate the miniband width from the absorption excitonic spectrum, it would be necessary to know accurately the binding energies of both excitons involved, the difference between which values is of the same order of magnitude as the miniband energy width. It should be possible to avoid the formation of excitons by doping the superlattice, however, in superlattices doped conventionally, the photoluminescence (PL) is completely dominated by transitions between Tamm states, which precludes the observation of extended minibancl states. In this work we investigate the possibility of avoiding both the formation of excitonic states, as well as the formation of Tamm states, by tayloring the modulation doping profile, and of detecting directly the interband transitions associated to extended rniniband states by PL measurements. By solving the Schrodinger and Poisson equations numerically, it was verified that a modulation doping profile that avoids the formation of Tamm states consists in a superlattice doped at the center of the wider gap layer, and also doped in the external layers, whereby the concentration of doping atoms in the external layers is equal to half of the value used in the internal ones. Such superlattices were investigated experimentally, and it was confirmed, from SdH measurements at oblique angles, that Tamm states were not present in the structures. The PL spectrum is characterized Ly an emission band whose width is approximately equal to the Fermi energy. The PL band is situated at photon energies greater than the energy bandgap of the confining layer. These characteristics suggest that the observed spectrum is associated to extended electronic miniband states. To confirm this interpretation, we detected and analyzed the PL spectrum in an external magnetic field. A theoretical model for the lineshape of the PL as function of the magnetic field intensity was developed. Using this model, it was possible to estimate all characteristics parameters for the superlattice: the energy width of the minibanel, the reduced mass of the electron-hole pair, and the renormalized energy gap. The latter parameter is not accessible by the experimental techniques used previously, and it was measured for the first time in this work. The access to this parameter opens a new perspective for the study of many body effects in structures, in which the dimensionality of the electronic system can be controlled artificially. This perspective is explored in this work.

Super-redes semicondutoras consistem de materiais semicondutores de gaps diferentes arranjados periodicamente. Os elétrons das camadas de gap mais estreito acoplam-se por tunelamento através das camadas de gap mais largo formando faixas energéticas, denominadas minibandas. A largura de uma mini banda é definida pela diferença entre seus dois limiares, o fundo e o topo. Uma singularidade de Van Hove é associada a cada limiar da minibanda. A detecção direta de uma minibanda exige técnicas experimentais que sejam sensíveis a estas singularidades. Um exemplo de técnica deste tipo, e que é frequentemente utilizada, é o efeito Shubnikov-de Haas(SdH). Outra técnica é a espectroscopia de absorção associada a transições entre a faixa de valência e a faixa de condução. Neste caso, são observados picos excitônicos associados às duas singularidades na densidade de estados. Porém, a separação em energia entre os picos de absorção não é uma medida direta ela largura da rninibanda: para estimar a largura ela minibanda seria necessário conhecer com precisão as energias de ligação dos dois tipos de éxcitons, sendo que a diferença entre estes valores é da mesma ordem de grandeza que a largura da minibanda. A formação de estados excitônicos pode ser evitada através ela dopagem, que introduz a blindagem de Coulomb e o preenchimento do espaço de fase. Entretanto, em super-redes dopadas convencionalmente, a fotoluminescência (PL) é inteiramente dominada por transições entre estados de Tamm, impedindo novamente a detecção de transições inter bandas associadas aos estados de minibanda. Neste trabalho investigamos a possibilidade de evitarmos tanto a formação de estados excitônicos quanto a formação de estados ele Tamm em super-redes com dopagem modulada, a fim de detectarmos diretamente transições interbandas associadas aos estados estendidos de minibanda por medidas de PL. A partir da solução numérica das equações de Schrödinger e Poisson foi verificado que o perfil de dopagem modulada que evita a formação de estados de Tamm consiste numa super-rede dopada planarmente no centro das camadas de gap mais largo, e também nas camadas externas, sendo o valor da dopagem nas camadas externas igual à metade do valor da dopagem nas camadas internas. Investigamos no laboratório este tipo de super-rede e confirmamos através de medidas elo efeito ScliI em ângulos oblíquos, que efetivamente os estados de Tamm não estão presentes em estruturas com este perfil de dopagem. O espectro de PL é caracterizado por uma banda cuja largura é aproximadamente igual à energia de Fermi, e é situada em energias superiores ao gap ela camada de confinamento. Estas características são indicativas de que o espectro observado é devido a transições associadas aos estados de minibanda. A fim de comprovarmos esta interpretação detectamos e analisamos o espectro de PL em função do campo magnético. Para analisar o espectro de PL desenvolvemos um modelo teórico para a forma de linha ela PL em função do campo magnético. Utilizando o modelo teórico desenvolvido foi possível realizar um levantamento completo das características da super-rede extraindo valores para a largura energética da minibanda, a massa reduzida do par elétron-buraco e a energia do gap renormalizada. Este último parâmetro não era acessível pelas técnicas mencionadas anteriormente e foi medido pela primeira vez neste trabalho. O acesso a ele abre uma nova perspectiva para o estudo de efeitos de muitos corpos em estruturas onde a dimensionalidade do sistema eletrônico pode ser controlada artificialmente. Esta perspectiva é explorada neste trabalho. / Semiconductor superlattices consist of semiconductor materials with different gaps, arranged periodically. The electrons of the narrow gap layer, coupled by tunneling through the wider gap layer, form an energy miniband. The width of a miniband is equal to the difference in energy between its two edges, the bottom and the top. A Van Hove singularity is associated with each edge of the miniband. The direct detection of a miniband demands experimental techniques sensitive to these singularities. One example of such a technique is the Shubnikov-de Haas effect (SdH). Another technique is the absorption spectroscopy associated with transitions between the valence and the conduction bands. In this case, excitonic peaks associated with the two singularities in the density of states are observed. However, to estimate the miniband width from the absorption excitonic spectrum, it would be necessary to know accurately the binding energies of both excitons involved, the difference between which values is of the same order of magnitude as the miniband energy width. It should be possible to avoid the formation of excitons by doping the superlattice, however, in superlattices doped conventionally, the photoluminescence (PL) is completely dominated by transitions between Tamm states, which precludes the observation of extended minibancl states. In this work we investigate the possibility of avoiding both the formation of excitonic states, as well as the formation of Tamm states, by tayloring the modulation doping profile, and of detecting directly the interband transitions associated to extended rniniband states by PL measurements. By solving the Schrodinger and Poisson equations numerically, it was verified that a modulation doping profile that avoids the formation of Tamm states consists in a superlattice doped at the center of the wider gap layer, and also doped in the external layers, whereby the concentration of doping atoms in the external layers is equal to half of the value used in the internal ones. Such superlattices were investigated experimentally, and it was confirmed, from SdH measurements at oblique angles, that Tamm states were not present in the structures. The PL spectrum is characterized Ly an emission band whose width is approximately equal to the Fermi energy. The PL band is situated at photon energies greater than the energy bandgap of the confining layer. These characteristics suggest that the observed spectrum is associated to extended electronic miniband states. To confirm this interpretation, we detected and analyzed the PL spectrum in an external magnetic field. A theoretical model for the lineshape of the PL as function of the magnetic field intensity was developed. Using this model, it was possible to estimate all characteristics parameters for the superlattice: the energy width of the minibanel, the reduced mass of the electron-hole pair, and the renormalized energy gap. The latter parameter is not accessible by the experimental techniques used previously, and it was measured for the first time in this work. The access to this parameter opens a new perspective for the study of many body effects in structures, in which the dimensionality of the electronic system can be controlled artificially. This perspective is explored in this work.