Orientadores: Marco Antonio Robert Alves, Gilberto Medeiros Ribeiro / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-11T09:04:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fiorentini_GiovanniAlessandro_M.pdf: 8940577 bytes, checksum: aa3711a9b5e0821a30c942ef0760c8f7 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: O crescimento epitaxial de nanoestruturas semicondutoras e metálicas é algo de grande interesse atualmente em ciência e tecnologia devido às propriedades singulares apresentadas pela matéria na escala nanométrica. Esta dissertação teve como objetivo principal a construção de um sistema de crescimento epitaxial baseado na técnica de epitaxia por feixe molecular (MBE, do inglês Molecular Beam Epitaxy). Inicialmente, aspectos básicos sobre a física e a tecnologia envolvidas em um sistema de MBE foram analisados. O que é MBE e quais são os princípios que governam seu funcionamento são perguntas intrigantes a um aluno do curso de engenharia elétrica. No decorrer do trabalho, todo o complexo sistema vácuo (bombeamento e monitoramento) teve de ser cuidadosamente montado e ajustado até que se obtivesse as condições ótimas de trabalho dados os componentes disponíveis bem como suas características e limitações. Conceitos teóricos e práticos foram aplicados de forma a tornar o sistema o mais simples, eficiente e amigável possível. As evaporadoras por feixe de elétrons foram montadas, testadas e ajustadas até que se pudesse alcançar os parâmetros de funcionamento desejados para estes dispositivos tão importantes dentro de um sistema de MBE. Toda a instrumentação envolvida no acionamento e no monitoramento destas fontes foi desenvolvido com base em conceitos simples de eletrônica analógica e, em alguns momentos, digital, além de soluções de software, sempre usando LabView. Os resultados do trabalho de construção do sistema puderam ser caracterizados posteriormente de maneira a aferir a confiabilidade dos parâmetros utilizados e das amostras crescidas. Estes resultados foram baseados em técnicas de microscopia de varredura por pontas (SPM, do inglês Scanning Probe Microscopy), as quais forneceram informações detalhadas sobre as nanoestruturas formadas e as superfícies dos substratos, dados estes muito importantes e que podem ser utilizados como indicadores das codições de funcionamento do sistema de crescimento / Abstract: The epitaxial growth of semiconductor and metallic nanostructures is a target of great interest nowadays in science and technology due to the unique properties presented by the matter at the nanometer scale. This dissertation had as the main goal the construction of a system for epitaxial growth based on the Molecular Beam Epitaxy (MBE) technique. First of all, basic aspects about the physics and the technology involved in a MBE system were analyzed. What is MBE and what are the principles that govern its operation are intriguing questions for an electrical engineering student. During this work, the entire complex vacuum system (pumping and monitoring) had to be carefully mounted and adjusted until the optimum conditions were obtained for the available components as well as their characteristics and limitations. Theoretical and practical concepts were applied so that the system become as simple, efficient and friendly as possible. The electron beam evaporation sources were mounted, tested and adjusted until the desired working parameters for these important devices were achieved. The whole instrumentation involved in the driving and in the monitoring of these sources was developed based on simple concepts of analog and, in some cases, digital electronics, besides software solutions, always using LabView. The performance of the system was evaluated by structural characterization using scanning probe microscopy techniques (SPM), which gave detailed information about the formed nanostructures and the substrates surfaces. These data can be used as indicators of the growth system operation conditions / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Amir Ordacgi Caldeira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-18T12:04:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GarciaRodriguez_AlexisOmar_D.pdf: 2441638 bytes, checksum: 00dfa78fb7b0c9f69778a51704c587b7 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Este trabalho foi motivado por várias dificuldades encontradas no estudo do artigo de M. Ueda, Transmission Spectrum of a Tunneling Particle Interacting with Dynamical Fields: Real- Time Functional Integral Approach, Phys. Rev. B 54, 8676 (1996). Nesse artigo, num formalismo de tempo real, é descrito o tunelamento de uma partícula através de uma barreira utilizando tempos não reais de travessia através dessa barreira. No presente trabalho é proposto um formalismo mais amplo de tempo real para uma introdução mais natural de valores complexos do tempo na descrição do tunelamento de uma partícula cm interação com o ambiente. Esta proposta está baseada no chamado método do tempo complexo utilizado no caso do tunelamento de uma partícula sem interação com o ambiente estudado nos trabalhos de D. W. McLaughlin, J. Math. Phys. 13, 1099 (1972) c B. R. Holstein c A. R. Swift, Am. J. Phys. 50, 833 (1982). Seguindo o trabalho citado de Ueda, o ambiente da partícula é representado através de um conjunto, ou banho térmico, de osciladores harmônicos caracterizados por uma função de densidade espectral J(w). Utilizando o método de Feynman de integrais de trajetória, integramos sobre as coordenadas dos osciladores do banho c obtemos uma expressão exata para o espectro de transmissão da partícula para uma temperatura do banho T > O. Limitando-nos então ao caso mais simples T = O, estudamos o tunelamento dissipativo da partícula através da barreira. Considerando h um parâmetro pequeno (limite semiclássico), aproximamos o espectro de transmissão da partícula através da contribuição das trajetórias clássicas c suas trajetórias vizinhas. Nesta aproximação consideramos a variação da ação efetiva da partícula para tempos dados de duração das trajetórias c deste modo substituímos o procedimento variacional seguido no trabalho indicado de Ueda onde não é considerada a variação nos tempos de travessia da partícula através da barreira. Num segundo problema variacional nos tempos de duração das trajetórias clássicas de acordo com o método do tempo complexo e considerando também a variação nas posições iniciais c finais dessas trajetórias, obtemos as equações de movimento das chamadas trajetórias clássicas especiais. Este tratamento das coordenadas iniciais c finais das trajetórias clássicas substitui o procedimento seguido no trabalho de Ueda onde é considerc1da uma aceleração nula durante todo o trajeto de movimento incluindo o trajeto na região da barreira. Diferentemente do artigo citado de Ueda, no presente trabalho utilizamos pacotes de ondas relativamente bem localizados para descrever os estados inicial e final da partícula. Em consequência, aproximamos o espectro de transmissão da partícula através de trajetórias clássicas especiais com coordenadas iniciais c finais iguais ao valor médio da coordenada para esses pacotes de ondas. O procedimento seguido neste trabalho, baseado no método do tempo complexo, permite obter o fator ele acoplamento apropriado entre as duas trajetórias que descrevem a ação efetiva ela partícula substituindo assim o procedimento de tipo ad hoc seguido com este fim no trabalho indicado de Ueda. O método do tempo complexo permite obter também o termo ela diferença entre a ação efetiva da partícula c o expoente ele tunelamento, sendo que estas grandezas são tratadas como iguais no trabalho citado de Ueda. Considerando termos até primeira ordem num campo elétrico externo c na interação da partícula com o banho de osciladores, obtemos expressões gerais para o expoente de tunelamento, o espectro de transmissão, a taxa total de tunelamento c o tempo de travessia da partícula através da barreira, válidas para um banho de osciladores com uma função de densidade espectral arbitrária. Assim temos que a interação da partícula com um banho de osciladores com uma função de densidade espectral arbitrária diminui a taxa total de tunelamento. Adicionalmente, obtemos que a interação da partícula com os osciladores do banho com frequências ?a = ?C ~ 1.9 T , onde T0 é o tempo característico de travessia através da barreira no caso cm que não há interação da partícula com o banho de osciladores nem campo elétrico, não afeta o tempo característico de travessia através da barreira. Por outro lado, a interação da partícula com os osciladores do banho que têm frequências ?a < ?C (?a > ?C) diminui (aumenta) o tempo característico de travessia através da barreira. No caso de um banho de osciladores com uma única frequência w c uma constante de acoplamento com a partícula dada por Ca = Ca (wT)a , são identificados cinco comportamentos diferentes em função de w para o expoente característico de tunelamento e o tempo característico de travessia através da barreira. Estes comportamentos correspondem aos valores de s < 1, s = 1, 1 < s < 2, s = 2 e s > 2. No trabalho de M. Ueda, Phys. Rev. B 54, 8676 (1996), foi considerado somente o expoente característico de tunelamento no caso s = 1. No caso de um banho ôhmico de osciladores a temperatura zero, assim corno no caso de um banho de osciladores com uma única frequência, obtemos que o espectro de transmissão da partícula é zero para urna energia final característica da partícula maior que a energia inicial característica. Este resultado corrige o resultado correspondente no trabalho citado de Ueda, o qual não é consistente do ponto de vista físico, permitindo também obter de um modo mais coerente a corrente de tunelamento entre dois metais separados por um material isolante a temperatura zero. Obtém-se também que a interação da partícula com um banho ôhmico de osciladora não afeta o tempo característico de travessia através da barreira até primeira ordem nessa interação / Abstract: This work was motivated by several difficulties found when studying the article by M . Ueda, Transmission Spectrum of a Tunneling Particle Interacting with Dynamical Fields: Real-Time Functional-Integral Approach, Phys. Rev. B 54, 8676 (1996). In that paper, using a real-time formalism, a tunneling particle is described by complex traversal times of tunneling. In the present work we propose a broader real-time formalism that allows for a more natural introduction of complex values of time in the description of a tunneling particle interacting with the environment. This proposal is based on the well-known complex time method used in the case of a tunneling particle with no interaction with the environment studied in the works of D. W. McLaughlin, J. Math. Phys. 13, 1099 (1972) and B. R. Holstein and A. R. Swift, Am. J. Phys. 50, 833 (1982). Following the cited work of Ueda, the environment of the particle is represented by a set, or heat bath, of harmonic oscillators which is characterized by a spectral density function J(w). Using the Feynman path integrals method, we integrate out the coordinates of the bath oscillators and obtain an exact expression for the transmission spectrum of the particle for a bath temperature T > O. Limiting ourselves to the simpler case T = O, we study the case of a dissipative tunneling of the particle. Considering h a small parameter (semiclassical limit) we approximate the transmission spectrum of the particle by the contribution of the classical trajectories and its neighboring paths. In this approach we consider the variation of the effective action of the particle for given duration times of the paths and replace the variation procedure followed in the cited work of Ueda where the variation in the traversal times of tunneling is not considered. In a second variation problem for the duration times of the classical paths, according to the complex time method and considering also the variation in the initial and final positions of these paths, we obtain the equations of motion for the so-called special classical paths. This treatment of the initial and final coordinates of the classical paths replaces the procedure followed in the cited work of Ueda where an acceleration equal to zero is considered during the entire path of motion including the region under the barrier. Unlike the cited article of Ueda, we use in the present work wave packets relatively well localized to describe the init.ial and final statics of the particle. Conscqncnt.ly, we approximate the transmission spectrum of the particle through special classical paths with initial and final coordinates equal to the average value of the coordinate for those wave packets. The procedure followed in this work, based on the complex time method, gives the appropriate coupling factor between the two paths describing the effective action of the particle and thus replaces the ad hoc procedure followed for this purpose in the cited work of Ueda. The complex time method also allows us to obtain the difference term between the effective action of the particle and the tunneling exponent. These quantities are treated as equal in Ueda\'s work. Considering terms up to first order in an external electric field and the interaction of the particle with the bath of oscillators, we obtain general expressions for the tunneling exponent, transmission spectrum, total tunneling rate and traversal time of tunneling, which are valid for a bath of oscillators with an arbitrary spectral lenity function. We find that the interaction of the particle with a bath of oscillators with an arbitrary spectral density function decreases the total tunneling rate. Also, we find that the interaction of the particle with the bath oscillators with frequencies ?a = ?C ~ 1.9 T , where To is the characteristic traversal time of tunneling when there is no interaction of the particle with the bath of oscillators nor electric field. , does not affect the characteristic traversal time of tunneling. On the other hand, the interaction of the particle with the bath oscillators having frequencies ?a< ?c (?a: > ?c decreases (increases) the characteristic traversal time of tunneling. In the case of a bath of oscillators with a single frequency w and a coupling constant with the particle given by Ca = Ca (wT)a we identify five different behaviors deepening on w for the characteristic tunneling exponent and the characteristic traversal time of tunneling. These behaviors correspond to the values of s < 1, s = 1, 1 < s < 2, s = 2 and s > 2. In the work of M. Ueda, Phys. Rev. B 54, 8676 (1996), it was only considered the characteristic tunneling exponent in the case s = 1. In the case of an ohmic bath of oscillators at zero temperature, as well as in the case of a bath of oscillators with a single frequency, we obtain that the transmission spectrum of the particle is ;1,cro for a final characteristic energy of the particle greater than the initial characteristic energy. This result corrects the corresponding result in Ueda work, which is not consistent from a physical point of view, allowing also for a more coherent derivation of the tunneling current between two metals separated by an insulating material at zero temperature. It is also obtained that the interaction of the particle with an ohmic bath of oscillators does not affect the characteristic traversal time of tunneling up to first order in that interaction / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Marcus Aloizio Martinez de Aguiar / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-29T15:51:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Veronez_Matheus_D.pdf: 15544434 bytes, checksum: 608af036b8db9a50a1b8ed957b506d84 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Representações no espaço de fase são ferramentas bastante difundidas no estudo e na simulação de sistemas quânticos, principalmente devido aos seus apelos clássicos. Tanto na mecânica quântica quanto na clássica, elementos similares, tal como densidades de probabilidade, podem ser definidos e usados para comparar ambos regimes. Neste trabalho construímos a partir de primeiros princípios uma corrente quântica no espaço de fase na representação de estados coerentes canônicos. Determinamos a corrente quântica para sistemas sob evolução de uma hamiltoniana genérica e mostramos que ela pode ser expandida numa série de potências em $hbar$ cujo termo de ordem mais baixa é a corrente clássica. Calculamos analiticamente a corrente para alguns sistemas uni-dimensionais simples. A corrente quântica apresenta propriedades não-clássicas, por exemplo, inversão de momento e surgimento de novos pontos de estagnação aos pares durante a dinâmica. Mostramos que estes pares são compostos por um ponto de sela, que é um zero da densidade de probabilidade e possui uma carga topológica de -1, e por um vórtice, que possui carga +1. Ambos pontos constituem o que denominamos dipolo topológico. Analisamos o papel destes dipolos no espalhamento de uma partícula por uma barreira gaussiana e mostramos que suas localizações em relação às superfícies de energia clássicas e em relação aos máximos da densidade de probabilidade são assinaturas de tunelamento / Abstract: Phase space representations are widely used tools to study and simulate the quantum dynamics of systems, mainly due to its natural classical appeal. In both classical and quantum mechanics, corresponding but not equivalent structures, such as probability densities, can be defined and explored to compare both dynamical regimes. In this work, we constructed from first principles the quantum phase space current for a quantum system in the canonical coherent states representation. We determined the quantum current for systems evolving under a general Hamiltonian, and we showed that the current can be expanded as a power series in $hbar$, whose lowest order term is the classsical current. We also calculated analytically the quantum current for simple one-dimensional systems. The quantum current presents non-classical features, such as momentum inversion and emergence of new stagnation points which appear in pairs during the dynamics. We showed that the pairs are composed by a saddle point, which is a zero of the phase space probability density and bears a topological charge -1, and a vortex, with charge +1. Both points constitute what we named a topological dipole. We analysed the role the dipoles play in the scattering of a particle by a gaussian barrier, and we showed that the location of the dipoles in relation to the classical energy surfaces and the quantum probability density maxima is a fingerprint of quantum tunneling / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 2013/02248-0 / 157615/2011-1 / FAPESP / CNPQ

Apresentamos neste trabalho um estudo do efeito da depleção do silício policristalino e da corrente de tunelamento em dispositivos com óxidos de porta finos. Utilizamos curvas características da capacitância em função da tensão de porta (C-V), para analisar a degradação causada por estes efeitos.Quanto ao efeito da depleção do silício policristalino a capacitância total na região de inversão apresenta uma redução conforme a concentração de dopantes do silício policristalino diminui. Este efeito foi observado em curvas C-V tanto de alta como de baixa freqüência, sendo esta última mais afetada. A corrente de tunelamento através do óxido de porta apresentou uma influência na largura da região de depleção no silício, que aumentou devido ao tunelamento de portadores do substrato. Como resultado, uma diminuição na capacitância do silício foi observada, fazendo a curva C-V diminuir na região de inversão. Quando considerado o efeito de depleção no silício policristalino junto com o efeito do tunelamento, observou-se que na região da porta houve um excesso de portadores, causando uma diminuição na região de depleção do silício policristalino. Neste caso a curva C-V sofreu uma maior redução, tornando-se difícil separar os dois efeitos. A curva C-V de baixa freqüência foi a mais atingida, pois como os portadores tem tempo de resposta, pode-se observar a influência da corrente de tunelamento nas cargas de inversão. Apresentamos ainda um novo método para a determinação da concentração de dopantes no substrato e no silício policristalino, através de curvas C-V de alta freqüência. Simulações numéricas bidimensionais e medidas experimentais foram utilizadas para validação do método. Os resultados obtidos indicam que o método proposto apresenta um grande potencial, tendo como principal vantagem a simplicidade de aplicação. / In this work we present the study of polysilicon depletion and the gate tunneling current effects in thin-gate oxide devices. Characteristic curves of capacitance as a function of the gate voltage (C-V) were used to analyze the degradation caused for these effects. Regarding the poly depletion effect, a reduction of the total capacitance in the inversion region was verified as the polysilicon doping concentration decreases. This effect was observed in C-V curves in high and low frequency, being the last one more affected. The gate tunneling current presented an influence on the width of the depletion silicon region, which increased due to the carriers tunneling from the substrate. As a result, a reduction in the silicon capacitance was observed, causing the C-V curve reduction in the inversion region. When the polysilicon depletion effect is considered together with the tunneling effect, it was observed that there is a carriers excess in the gate region, causing a reduction of the polysilicon depletion region width. In this case, the C-V curve suffered a larger reduction, making difficult to separate both effects. The most affected characteristic was the C-V curve at low frequency, due to existence of the carrier response time that allows observing the influence of the tunneling current in inversion charges. A new method for the determination of the doping concentration of substrate and polysilicon was also presented, through C-V curves at high frequency. Two-dimensional simulations and experimental measurements were used to validate the method. The obtained results indicate that the propose method present a higher potential, having as principal advantage the simplicity of application.

Apresentamos neste trabalho um estudo do efeito da depleção do silício policristalino e da corrente de tunelamento em dispositivos com óxidos de porta finos. Utilizamos curvas características da capacitância em função da tensão de porta (C-V), para analisar a degradação causada por estes efeitos.Quanto ao efeito da depleção do silício policristalino a capacitância total na região de inversão apresenta uma redução conforme a concentração de dopantes do silício policristalino diminui. Este efeito foi observado em curvas C-V tanto de alta como de baixa freqüência, sendo esta última mais afetada. A corrente de tunelamento através do óxido de porta apresentou uma influência na largura da região de depleção no silício, que aumentou devido ao tunelamento de portadores do substrato. Como resultado, uma diminuição na capacitância do silício foi observada, fazendo a curva C-V diminuir na região de inversão. Quando considerado o efeito de depleção no silício policristalino junto com o efeito do tunelamento, observou-se que na região da porta houve um excesso de portadores, causando uma diminuição na região de depleção do silício policristalino. Neste caso a curva C-V sofreu uma maior redução, tornando-se difícil separar os dois efeitos. A curva C-V de baixa freqüência foi a mais atingida, pois como os portadores tem tempo de resposta, pode-se observar a influência da corrente de tunelamento nas cargas de inversão. Apresentamos ainda um novo método para a determinação da concentração de dopantes no substrato e no silício policristalino, através de curvas C-V de alta freqüência. Simulações numéricas bidimensionais e medidas experimentais foram utilizadas para validação do método. Os resultados obtidos indicam que o método proposto apresenta um grande potencial, tendo como principal vantagem a simplicidade de aplicação. / In this work we present the study of polysilicon depletion and the gate tunneling current effects in thin-gate oxide devices. Characteristic curves of capacitance as a function of the gate voltage (C-V) were used to analyze the degradation caused for these effects. Regarding the poly depletion effect, a reduction of the total capacitance in the inversion region was verified as the polysilicon doping concentration decreases. This effect was observed in C-V curves in high and low frequency, being the last one more affected. The gate tunneling current presented an influence on the width of the depletion silicon region, which increased due to the carriers tunneling from the substrate. As a result, a reduction in the silicon capacitance was observed, causing the C-V curve reduction in the inversion region. When the polysilicon depletion effect is considered together with the tunneling effect, it was observed that there is a carriers excess in the gate region, causing a reduction of the polysilicon depletion region width. In this case, the C-V curve suffered a larger reduction, making difficult to separate both effects. The most affected characteristic was the C-V curve at low frequency, due to existence of the carrier response time that allows observing the influence of the tunneling current in inversion charges. A new method for the determination of the doping concentration of substrate and polysilicon was also presented, through C-V curves at high frequency. Two-dimensional simulations and experimental measurements were used to validate the method. The obtained results indicate that the propose method present a higher potential, having as principal advantage the simplicity of application.

Estudos de interface têm presenciado um recente crescimento devido as novas propriedades físico-químicas, que puderam ser explorados com o advento de técnicas com resolução ao nível molecular/atômico. Dessas técnicas, dois ramos que merecem destaque são as Microscopias de Varredura por Ponta de Prova e Espectroscopias Óticas. Neste trabalho fazemos uso de algumas destas técnicas (o Microscópio de Tunelamento de Elétrons e Espectroscopia Vibracional por Geração de Soma de Freqüências) para estudar a adsorção de moléculas alifáticas e aromáticas em Au. Dois casos são abordados: como a rugosidade do substrato influencia no mecanismo de automontagem de monocamadas de alcanotióis e a automontagem de derivados de uracil em interfaces eletroquímicas. No primeiro caso, mostra-se que a quantidade de defeitos moleculares na monocamada adsorvida e extremamente sensível a rugosidade do substrato utilizado. Unem-se os resultados das técnicas acima aos resultados de sondas eletroquímica para se chegar a um modelo. Também e estudado a dependência das etapas de fisisorção e quimisorção em função da concentração da solução de alcanotiól. Para o segundo caso, um derivado halogenado do uracil (5-fluorouracil), mostra-se como a substituição química na base nitrogenada leva a diferentes mecanismos de formação de monocamadas na interface eletroquímica. Imagens de Microscopia de Tunelamento de Elétrons com resolução atômica e molecular mostram que em densidade de cargas negativas as moléculas estão fisisorvidas, porém não formam estruturas periódicas em contraste com uracil e timina, entretanto em densidades de cargas positivas formam estruturas periódicas quimisorvidas, assim como uracil e timina. E discutido como são diferentes os mecanismos de interação intermolecular: no caso dos alcanotiois preponderando às interações de van der Waals e no caso dos derivados de uracil pelas ligações via pontes de hidrogênio são dominantes. / Interface science has experienced a new rebirth since the development of new probes with atomic/molecular resolution, giving new insights about the physical-chemical properties, which differ substantially from the bulk. Among these techniques, two branches deserve special attention: the Scanning Probe Microscopies and Optical Spectroscopy. In this work, two derivatives of theses techniques (the Scanning Tunnelling Microscopy and Vibrational Spectroscopy by Sum-Frequency Generation) are combined giving new insights about the molecular adsorption onto Au. Two examples are focused: how roughness plays a key role in the structure of self-assembled alkanethiol monolayer and the uracil derivatives self-assembling at electrochemical interfaces. For the former, it has been shown that the amount of defects on the adsorbed monolayer is highly sensitive to substrate roughness. Combining the results of each technique with a well-known electrochemical probe, a physical model is proposed. The physisorbed and chemisorbed states are studied as a function of alkanethiol solution concentration as well. For the later case, the chemical substitution of uracil leads to drastically different results for the physisorbed phase (negative charge densities), compared to uracil and thymine. In the chemisorbed phase (positive charge densities) imaging with molecular resolution is achieved showing a quasi-hexagonal structure, similar to the structure of thymine and uracil. It is discussed what are the main driving forces for the self-assembling mechanism: van der Waal interactions for the alkanethiols and hydrogen bonding for uracil derivatives.

Ao passar por uma fina camada magnética uma corrente spin polarizada pode produzir um efeito de torque clássico atuando na camada, sendo capaz de gerar precessão e reversão da magnetização. Esse efeito tem sido alvo de inúmeras pesquisas, em especial pela possibilidade de aplicações em memórias magnéticas não voláteis e em nano-osciladores de alta frequência, entretanto outras características podem ser exploradas. Em particular, devido ao seu caráter não-linear, torques de spin aplicados em camadas magnéticas podem fornecer condições para aparecimento de caos determinístico e ressonância estocástica. Caos determinístico pode ocorrer em sistemas dinâmicos contínuos que tenham ao menos três graus de liberdade. Nesse caso, mesmo que apenas termos determinísticos sejam considerados, a combinação de termos não-lineares e alta sensibilidade em relação a condições iniciais ou pequenas perturbações pode gerar irregularidade e imprevisibilidade no sistema. Ressonância estocástica é o nome que se dá para fenômenos em que a adição de ruído a um sistema pode melhorar a resposta do mesmo, existindo um nível ótimo de ruído. Esse fenômeno pode ser usado para detecção e amplificação de sinais de baixa intensidade, por exemplo. Aqui analisamos a dinâmica da magnetização da camada livre de junções magnéticas em geometrias do tipo nanopilar, com o estudo dividido em dinâmicas determinísticas e estocásticas. Dentro da análise apenas com termos determinísticos, buscamos verificar comportamentos regulares, irregulares e caóticos, caracterizando o sistema através da geração de diagramas com as fases dinâmicas para diferentes valores de parâmetros. Foram vistas duas geometrias diferentes, sendo que em uma delas foi possível fazer a caracterização completa das fases dinâmicas do sistema. No caso de dinâmicas estocásticas, buscamos explorar efeitos não-lineares e flutuações térmicas, analisando ressonância estocástica e sincronização facilitada por ruído em uma junção túnel magnética, além de estudar as respostas dinâmicas quando há apenas o torque de Slonczewski e quando também está presente o torque tipo campo. Foi possível observar a influência de diversos parâmetros, como a amplitude da corrente aplicada e a frequência de entrada, na resposta magnética e na sincronização de dispositivos estocásticos. Além disso, vimos que com a inclusão do torque tipo campo aparece um possível novo comportamento, similar à ressonância, em alta frequência, ainda não detectado experimentalmente. Esses resultados são importantes pela possibilidade de uso desses dispositivos spintrônicos em transmissão segura de dados, comunicação em alta frequência e em uma nova geração de dispositivos bio-inspirados e eficientes energeticamente. / When passing through a fine magnetic layer a spin polarized electric current may result in a classical torque acting on the layer, being capable of causing magnetization precession and reversal. This effect has been object of numerous researches, specially because of possible applications in non-volatile magnetic memories and high frequency nanooscillators. However, other characteristics can be exploited. In particular, because of its non-linear features, spin torques acting on magnetic layers can generate the conditions for deterministic chaos and stochastic resonance to arise. Deterministic chaos may happen in continuous nonlinear dynamical systems with at least three degrees of freedom. In this case, even if only deterministic terms are considered, the combination of nonlinearities with high sensitivity on initial conditions or small perturbations can produce irregularity and unpredictability in the dynamical behaviour. Stochastic resonance is the phenomenon in which the addition of noise in a system can produce a better output, or system response, existing an optimal noise level. This effect can be used as a way to detect and amplify low intensity signal, for example. In this PhD Thesis we study the magnetization dynamics on the free layer of magnetic junctions in nanopillar geometries. The work is divided into two parts: deterministic and stochastic dynamics. When analysing the deterministic case we tried to characterize regular, irregular and chaotic behaviours, producing dynamical phases diagrams for different system parameters. Two different geometries were analysed, being possible to generate a complete characterization of the dynamical phases in one of them. For the stochastic case we tried to explore nonlinear effects and thermal fluctuations, analysing stochastic resonance and noise-enhanced synchronization in a magnetic tunnel junction and studying the dynamical response when only one spin torque is considered, the Slonczewski torque, and also when a perpendicular torque, the field-like torque, is present. We were able to see the influence of several system parameters, such as the amplitude of the applied electric current and the input frequency, on the system response and on the synchronization of stochastic systems. Also, we noticed that with the inclusion of the field-like torque a possibly new high frequency resonance-like behaviour appears. These results are important because of the possibility of using new spintronic devices for secure data transmission, high frequency communications and on a new generation of bio-inspired devices.

Ao passar por uma fina camada magnética uma corrente spin polarizada pode produzir um efeito de torque clássico atuando na camada, sendo capaz de gerar precessão e reversão da magnetização. Esse efeito tem sido alvo de inúmeras pesquisas, em especial pela possibilidade de aplicações em memórias magnéticas não voláteis e em nano-osciladores de alta frequência, entretanto outras características podem ser exploradas. Em particular, devido ao seu caráter não-linear, torques de spin aplicados em camadas magnéticas podem fornecer condições para aparecimento de caos determinístico e ressonância estocástica. Caos determinístico pode ocorrer em sistemas dinâmicos contínuos que tenham ao menos três graus de liberdade. Nesse caso, mesmo que apenas termos determinísticos sejam considerados, a combinação de termos não-lineares e alta sensibilidade em relação a condições iniciais ou pequenas perturbações pode gerar irregularidade e imprevisibilidade no sistema. Ressonância estocástica é o nome que se dá para fenômenos em que a adição de ruído a um sistema pode melhorar a resposta do mesmo, existindo um nível ótimo de ruído. Esse fenômeno pode ser usado para detecção e amplificação de sinais de baixa intensidade, por exemplo. Aqui analisamos a dinâmica da magnetização da camada livre de junções magnéticas em geometrias do tipo nanopilar, com o estudo dividido em dinâmicas determinísticas e estocásticas. Dentro da análise apenas com termos determinísticos, buscamos verificar comportamentos regulares, irregulares e caóticos, caracterizando o sistema através da geração de diagramas com as fases dinâmicas para diferentes valores de parâmetros. Foram vistas duas geometrias diferentes, sendo que em uma delas foi possível fazer a caracterização completa das fases dinâmicas do sistema. No caso de dinâmicas estocásticas, buscamos explorar efeitos não-lineares e flutuações térmicas, analisando ressonância estocástica e sincronização facilitada por ruído em uma junção túnel magnética, além de estudar as respostas dinâmicas quando há apenas o torque de Slonczewski e quando também está presente o torque tipo campo. Foi possível observar a influência de diversos parâmetros, como a amplitude da corrente aplicada e a frequência de entrada, na resposta magnética e na sincronização de dispositivos estocásticos. Além disso, vimos que com a inclusão do torque tipo campo aparece um possível novo comportamento, similar à ressonância, em alta frequência, ainda não detectado experimentalmente. Esses resultados são importantes pela possibilidade de uso desses dispositivos spintrônicos em transmissão segura de dados, comunicação em alta frequência e em uma nova geração de dispositivos bio-inspirados e eficientes energeticamente. / When passing through a fine magnetic layer a spin polarized electric current may result in a classical torque acting on the layer, being capable of causing magnetization precession and reversal. This effect has been object of numerous researches, specially because of possible applications in non-volatile magnetic memories and high frequency nanooscillators. However, other characteristics can be exploited. In particular, because of its non-linear features, spin torques acting on magnetic layers can generate the conditions for deterministic chaos and stochastic resonance to arise. Deterministic chaos may happen in continuous nonlinear dynamical systems with at least three degrees of freedom. In this case, even if only deterministic terms are considered, the combination of nonlinearities with high sensitivity on initial conditions or small perturbations can produce irregularity and unpredictability in the dynamical behaviour. Stochastic resonance is the phenomenon in which the addition of noise in a system can produce a better output, or system response, existing an optimal noise level. This effect can be used as a way to detect and amplify low intensity signal, for example. In this PhD Thesis we study the magnetization dynamics on the free layer of magnetic junctions in nanopillar geometries. The work is divided into two parts: deterministic and stochastic dynamics. When analysing the deterministic case we tried to characterize regular, irregular and chaotic behaviours, producing dynamical phases diagrams for different system parameters. Two different geometries were analysed, being possible to generate a complete characterization of the dynamical phases in one of them. For the stochastic case we tried to explore nonlinear effects and thermal fluctuations, analysing stochastic resonance and noise-enhanced synchronization in a magnetic tunnel junction and studying the dynamical response when only one spin torque is considered, the Slonczewski torque, and also when a perpendicular torque, the field-like torque, is present. We were able to see the influence of several system parameters, such as the amplitude of the applied electric current and the input frequency, on the system response and on the synchronization of stochastic systems. Also, we noticed that with the inclusion of the field-like torque a possibly new high frequency resonance-like behaviour appears. These results are important because of the possibility of using new spintronic devices for secure data transmission, high frequency communications and on a new generation of bio-inspired devices.

Estudos de interface têm presenciado um recente crescimento devido as novas propriedades físico-químicas, que puderam ser explorados com o advento de técnicas com resolução ao nível molecular/atômico. Dessas técnicas, dois ramos que merecem destaque são as Microscopias de Varredura por Ponta de Prova e Espectroscopias Óticas. Neste trabalho fazemos uso de algumas destas técnicas (o Microscópio de Tunelamento de Elétrons e Espectroscopia Vibracional por Geração de Soma de Freqüências) para estudar a adsorção de moléculas alifáticas e aromáticas em Au. Dois casos são abordados: como a rugosidade do substrato influencia no mecanismo de automontagem de monocamadas de alcanotióis e a automontagem de derivados de uracil em interfaces eletroquímicas. No primeiro caso, mostra-se que a quantidade de defeitos moleculares na monocamada adsorvida e extremamente sensível a rugosidade do substrato utilizado. Unem-se os resultados das técnicas acima aos resultados de sondas eletroquímica para se chegar a um modelo. Também e estudado a dependência das etapas de fisisorção e quimisorção em função da concentração da solução de alcanotiól. Para o segundo caso, um derivado halogenado do uracil (5-fluorouracil), mostra-se como a substituição química na base nitrogenada leva a diferentes mecanismos de formação de monocamadas na interface eletroquímica. Imagens de Microscopia de Tunelamento de Elétrons com resolução atômica e molecular mostram que em densidade de cargas negativas as moléculas estão fisisorvidas, porém não formam estruturas periódicas em contraste com uracil e timina, entretanto em densidades de cargas positivas formam estruturas periódicas quimisorvidas, assim como uracil e timina. E discutido como são diferentes os mecanismos de interação intermolecular: no caso dos alcanotiois preponderando às interações de van der Waals e no caso dos derivados de uracil pelas ligações via pontes de hidrogênio são dominantes. / Interface science has experienced a new rebirth since the development of new probes with atomic/molecular resolution, giving new insights about the physical-chemical properties, which differ substantially from the bulk. Among these techniques, two branches deserve special attention: the Scanning Probe Microscopies and Optical Spectroscopy. In this work, two derivatives of theses techniques (the Scanning Tunnelling Microscopy and Vibrational Spectroscopy by Sum-Frequency Generation) are combined giving new insights about the molecular adsorption onto Au. Two examples are focused: how roughness plays a key role in the structure of self-assembled alkanethiol monolayer and the uracil derivatives self-assembling at electrochemical interfaces. For the former, it has been shown that the amount of defects on the adsorbed monolayer is highly sensitive to substrate roughness. Combining the results of each technique with a well-known electrochemical probe, a physical model is proposed. The physisorbed and chemisorbed states are studied as a function of alkanethiol solution concentration as well. For the later case, the chemical substitution of uracil leads to drastically different results for the physisorbed phase (negative charge densities), compared to uracil and thymine. In the chemisorbed phase (positive charge densities) imaging with molecular resolution is achieved showing a quasi-hexagonal structure, similar to the structure of thymine and uracil. It is discussed what are the main driving forces for the self-assembling mechanism: van der Waal interactions for the alkanethiols and hydrogen bonding for uracil derivatives.

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Os avanÃos nas tÃcnicas de crescimento tornaram possÃvel a fabricaÃÃo de estruturas semicondutoras quase-unidimensionais em escalas nanomÃtricas, chamadas pontos, fios, poÃos e anÃis quÃnticos. Interesse nessas estruturas tem crescido consideravelmente, nÃo sà devido Ãs suas possÃveis aplicaÃÃes em dispositivos eletrÃnicos e à sua manipulaÃÃo quÃmica fÃcil, mas tambÃm porque eles oferecem a possibilidade de explorar experimentalmente vÃrios aspectos de confinamento quÃntico, espalhamento e fenÃmenos de interferÃncia. Em particular, neste trabalho, investigamos as propriedades eletrÃnicas e de transporte em poÃos quÃnticos, fios e anÃis, cujas dimensÃes podem ser alcanÃados experimentalmente. Para isto, resolvemos a equaÃÃo de SchrÃdinger dependente do tempo utilizando o mÃtodo Split-operator em duas dimensÃes. Nesta tese, abordamos quatro trabalhos, sendo o primeiro uma analogia ao Paradoxo de Braess para um sistema mesoscÃpico. Para isso, utilizamos um anel quÃntico com um canal adicional na regiÃo central, alinhado com os canais de entrada e saÃda. Este canal extra faz o papel do caminho adicional em uma rede de trÃfego na teoria dos jogos, similar ao caso do paradoxo de Braess. Calculamos as auto-energias e a evoluÃÃo temporal para o anel quÃntico. Surpreendentemente, o coeficiente de transmissÃo para algumas larguras do canal extra diminuiu, semelhante ao que acontece com redes de trÃfego, onde a presenÃa de uma via extra nÃo necessariamente melhora o fluxo total. Com a analise dos resultados obtidos, foi possÃvel determinar que neste sistema o paradoxo ocorre devido a efeitos de interferÃncia e de espalhamento quÃntico. No segundo trabalho, foi feita uma extensÃo do primeiro, (i) aplicando-se um campo magnÃtico, onde foi possÃvel obter o efeito Aharonov-Bohm para pequenos valores do canal extra e controlar efeitos de interferÃncia responsÃveis pelo paradoxo mencionado, e (ii) fazendo tambÃm a aplicaÃÃo de um potencial que simula a ponta de um microscÃpio de forÃa atÃmica (AFM) interagindo com a amostra - este potencial à repulsivo e simula um possÃvel fechamento do caminho em que o pacote de onda se propaga. Assim, neste trabalho, realizamos uma contra-prova do primeiro, onde observamos que com o posicionamento da ponta do AFM sobre canal extra, se diminui o efeito de reduÃÃo de corrente devido ao paradoxo de Braess. No terceiro trabalho, realizamos uma anÃlise de tunelamento entre dois fios quÃnticos separados por uma certa distÃncia e calculamos qual a menor distÃncia para qual ocorre tunelamento significativo nesse sistema eletrÃnico. Este trabalho à de fundamental importÃncia para o manufaturamento de dispositivos nanoestruturados, porque nos permite investigar qual a distÃncia mÃnima para a construÃÃo de um circuito eletrÃnico sem que haja interferÃncias nas transmissÃes das informaÃÃes. No quarto e Ãltimo trabalho desta tese, investigamos a energia de ligaÃÃo do elÃtron-impureza em GaN/HfO2 para um poÃo quÃntico. Consideramos simultaneamente as contribuiÃÃes de todas as interaÃÃes das auto-energias devido ao descasamento das constantes dielÃtricas entre os materiais. Foram estudados poÃos largos e estreitos, comparando os resultados para diferentes posiÃÃes da impureza e a contribuiÃÃo da auto-energia para o sistema. / Advances in growth techniques have made possible the fabrication of quasi one-dimensional semiconductor structures on nanometric scales, called quantum dots, wires, wells and rings. Interest in these structures has grown considerably not only due to their possible applications in electronic devices and to their easy chemical manipulation, but also because they offer the possibility of experimentally exploring several aspects of quantum confinement, scattering and interference phenomena. In particular, in this work, we investigate the electronic and transport properties in quantum wells, wires and rings, whose dimensions can be achieved experimentally. For this purpose, we solve the time-dependent SchrÃdinger equation using the split-operator method in two dimensions. We address four different problems: in the first one, the electronic transport properties of a mesoscopic branched out quantum ring are discussed in analogy to the Braess Paradox of game theory, which, in simple words, states that adding an extra path to a traffic network does not necessarily improves its overall flow. In this case, we consider a quantum ringindex{Quantum ring} with an extra channel in its central region, aligned with the input and output leads. This extra channel plays the role of an additional path in a similar way as the extra roads in the classical Braess paradox. Our results show that in this system, surprisingly the transmission coefficient decreases for some values of the extra channel width, similarly to the case of traffic networks in the original Braess problem. We demonstrate that such transmission reduction in our case originates from both quantum scattering and interference effects, and is closely related to recent experimental results in a similar mesoscopic system. In the second work of this thesis, we extend the first system by considering different ring geometries, and by investigating the effects of an external perpendicular magnetic field and of obstructions to the electrons pathways on the transport properties of the system. For narrow widths of the extra channel, it is possible to observe Aharonov-Bohm oscillations in the transmission probability. More importantly, the Aharonov-Bohm phase acquired by the wave function in the presence of the magnetic field allows one to verify in which situations the transmission reduction induced by the extra channel is purely due to interference. We simulate a possible closure of one of the paths by applying a local electrostatic potential, which can be seen as a model for the charged tip of an atomic force microscope (AFM). We show that positioning the AFM tip in the extra channel suppresses the transmission reduction due to the Braess paradox, thus demonstrating that closing the extra path improves the overall transport properties of the system. In the third work, we analyze the tunneling of wave packets between two semiconductor quantum wires separated by a short distance. We investigate the smallest distance at which a significant tunneling between the semiconduting wires still occur. This work is of fundamental importantance for the manufacturing of future nanostructured devices, since it provides information on the minimum reasonable distances between the electron channels in miniaturized electronic circuits, where quantum tunnelling and interference effects will start to play a major role. In the last work of this thesis, we investigate the binding energy of the electron-impurity pair in a GaN/HfO2 quantum well. We consider simultaneously the contributions of all interactions in the self-energy due to the dielectric constant mismatch between materials. We investigate the electron-impurity bound states in quantum wells of several widths, and compared the results for different impurity positions.