MORAES, Arian Paulo de Almeida. Propriedades estruturais, elétricas e vibracionais da cerâmica de (Ba0,77Ca0,23)1-x(TR)xTiO3(x = 0; 0,01 e 0,02, TR = Terras Raras – Nd, Sm, Pr e Yb). 2009. 107 f. Tese (Doutorado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2009. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-06-18T19:15:45Z No. of bitstreams: 1 2009_tese_apamoraes.pdf: 6632505 bytes, checksum: 552672e888c764febe407eb609579c25 (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-06-18T19:17:53Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2009_tese_apamoraes.pdf: 6632505 bytes, checksum: 552672e888c764febe407eb609579c25 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-06-18T19:17:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2009_tese_apamoraes.pdf: 6632505 bytes, checksum: 552672e888c764febe407eb609579c25 (MD5) Previous issue date: 2009 / As propriedades estruturais, dielétricas e vibracionais do material cerâmico ferroelétrico (Ba0,77Ca0,23)1-x(TR)xTiO3 (x = 0; 0,01 e 0,02; TR = Terras Raras - Nd, Sm, Pr e Yb) (BCT-TR) foram estudadas por diferentes técnicas de caracterização: difração de raios-X (DRX) , espectroscopia de Impedância, microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR), espectroscopia de Absorção de raios-X (XAS) e espectroscopia Raman. As amostras de BCT-TR foram obtidas pela reação estado-sólido e sinterizadas à temperatura de 1450°C por 4horas. As amostras apresentaram microestrutura densa. O uso de íons TR como dopantes afetam a microestrutura das cerâmicas de Ba0,77Ca0,23TiO3 (BCT23) e suas propriedades estruturais, vibracionais, etc. Os difratogramas obtidos indicam que os íons TR são responsáveis pela contração do volume da célula unitária. Medidas obtidas pela técnica de espectroscopia de impedância em função da temperatura e freqüência do campo elétrico aplicado mostram que o BCT23 dopado com Itérbio (Yb) apresenta um limite de solubilidade inferior a 1%, cujo resultado está de acordo com imagens obtidas via MEV, que mostram a formação de uma fase secundária identificada como Yb2Ti2O7. Os picos de emissão obtidos pelas medidas de luminescência sugerem que os íons Sm3+ ocupam o sítio A da estrutura ABO3. Essa identificação é baseada no fato de que as emissões do Sm3+ na série de alcalinos terrosos e sulfetos têm a tendência de apresentar um deslocamento para o azul (“blue-shift”) nas energias de transições eletrônicas com o aumento da distância entre cátions e ânions na matriz. Medidas dielétricas mostram que as transições de fases apresentam propriedades de uma transição de fase difusa que se torna mais pronunciado com o aumento da concentração dos dopantes, com exceção do Yb. A evolução dos espectros Raman em função da temperatura (300 a 513K) indica que a temperatura de Curie da transição de fase ferro-paraelétrica (tetragonal-cúbica) depende da concentração dos íons TR. Os resultados são discutidos em termos do comportamento do modo superamortecido (modo de baixa freqüência) pertencente à representação irredutível [E(1TO)]. O efeito da dopagem na temperatura de transição é discutido e explicado com base na teoria do modo “soft”. Defeitos na estrutura do BCT dopado são gerados pelo mecanismo de compensação de cargas devido a incorporação de elementos com diferentes valências (estado de oxidação) em relação aos elementos da matriz de BCT23 pura. Medidas de EPR mostram a existência de vacâncias de Ti na estrutura do BCT dopado com íons TR.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / As propriedades estruturais, dielÃtricas e vibracionais do material cerÃmico ferroelÃtrico (Ba0,77Ca0,23)1-x(TR)xTiO3 (x = 0; 0,01 e 0,02; TR = Terras Raras - Nd, Sm, Pr e Yb) (BCT-TR) foram estudadas por diferentes tÃcnicas de caracterizaÃÃo: difraÃÃo de raios-X (DRX) , espectroscopia de ImpedÃncia, microscopia EletrÃnica de Varredura (MEV), ressonÃncia ParamagnÃtica EletrÃnica (EPR), espectroscopia de AbsorÃÃo de raios-X (XAS) e espectroscopia Raman. As amostras de BCT-TR foram obtidas pela reaÃÃo estado-sÃlido e sinterizadas à temperatura de 1450ÂC por 4horas. As amostras apresentaram microestrutura densa. O uso de Ãons TR como dopantes afetam a microestrutura das cerÃmicas de Ba0,77Ca0,23TiO3 (BCT23) e suas propriedades estruturais, vibracionais, etc. Os difratogramas obtidos indicam que os Ãons TR sÃo responsÃveis pela contraÃÃo do volume da cÃlula unitÃria. Medidas obtidas pela tÃcnica de espectroscopia de impedÃncia em funÃÃo da temperatura e freqÃÃncia do campo elÃtrico aplicado mostram que o BCT23 dopado com ItÃrbio (Yb) apresenta um limite de solubilidade inferior a 1%, cujo resultado està de acordo com imagens obtidas via MEV, que mostram a formaÃÃo de uma fase secundÃria identificada como Yb2Ti2O7. Os picos de emissÃo obtidos pelas medidas de luminescÃncia sugerem que os Ãons Sm3+ ocupam o sÃtio A da estrutura ABO3. Essa identificaÃÃo à baseada no fato de que as emissÃes do Sm3+ na sÃrie de alcalinos terrosos e sulfetos tÃm a tendÃncia de apresentar um deslocamento para o azul (âblue-shiftâ) nas energias de transiÃÃes eletrÃnicas com o aumento da distÃncia entre cÃtions e Ãnions na matriz. Medidas dielÃtricas mostram que as transiÃÃes de fases apresentam propriedades de uma transiÃÃo de fase difusa que se torna mais pronunciado com o aumento da concentraÃÃo dos dopantes, com exceÃÃo do Yb. A evoluÃÃo dos espectros Raman em funÃÃo da temperatura (300 a 513K) indica que a temperatura de Curie da transiÃÃo de fase ferro-paraelÃtrica (tetragonal-cÃbica) depende da concentraÃÃo dos Ãons TR. Os resultados sÃo discutidos em termos do comportamento do modo superamortecido (modo de baixa freqÃÃncia) pertencente à representaÃÃo irredutÃvel [E(1TO)]. O efeito da dopagem na temperatura de transiÃÃo à discutido e explicado com base na teoria do modo âsoftâ. Defeitos na estrutura do BCT dopado sÃo gerados pelo mecanismo de compensaÃÃo de cargas devido a incorporaÃÃo de elementos com diferentes valÃncias (estado de oxidaÃÃo) em relaÃÃo aos elementos da matriz de BCT23 pura. Medidas de EPR mostram a existÃncia de vacÃncias de Ti na estrutura do BCT dopado com Ãons TR.

O composto magnético geometricamente frustrado Gd2Ti2O7 da família dos pirocloros apresenta um comportamento bastante interessante, sendo que a natureza da fase magnética em baixas temperaturas se encontra ainda sob intenso debate. Este material entra em um estado antiferromagnético parcialmente ordenado à temperatura T1N ~ 1 K, apresentando outra transição de fase em T2N ~ 0.7 K. Neste trabalho é investigada a física de baixas temperaturas de amostras de Gd2Ti2O7 com defeitos estruturais tais como vacâncias de oxigênio e diluição de ítrio. Amostras policristalinas com composição Gd2Ti2O7 e Gd2-xYxTi2O7 foram sintetizadas em diferentes condições por uma rota alternativa conhecida como método sol-gel. O refinamento de um modelo para os dados de difração de raios X mostra que vacâncias de oxigênio são os principais defeitos estruturais neste material. As vacâncias de oxigênio resultam numa ligeira diminuição de T1N e numa redução da magnetização de saturação. A diluição da rede com ítrio leva a uma clara diminuição de T1N e da temperatura de Curie-Weiss. Medidas de calor específico evidenciaram as duas transições T1N e T2N no composto com menor grau de vacâncias de oxigênio. A análise da contribuição magnética ao calor específico Cm em baixas temperaturas, 0.39 K < T < 0.68 K, revelou um comportamento proporcional a T^2 previamente discutido na literatura. Entretanto, verificamos que uma dependência T^3, usualmente encontrada em antiferromagnetos convencionais, descreve igualmente bem nossos dados experimentais resultando em uma velocidade de magnons consistente com a apresentada por outros pirocloros. / The geometrically frustrated compound Gd2Ti2O7 of the pyrochlore family displays such an interesting behaviour that the nature of the ordered magnetic phase at low temperatures is still under intense discussion. This material enters in a partially ordered magnetic state at a temperature T1N ~ 1 K, and there is another phase transition at T2N ~ 0.7 K. In this thesis we study the low temperature physics of Gd2Ti2O7 with structural defects such as oxygen vacancies and yttrium dilution. Polycrystalline samples of Gd2Ti2O7 and Gd2-xYxTi2O7 were synthesized in different conditions by an alternative route known as the sol-gel method. The refinement of a model for the X-ray diffraction data reveal that the oxygen vacancies are the leading defects in this material. The oxygen vacancies result in a slight decrease of T1N and in a reduction of the saturation magnetization. The yttrium dilution of the lattice leads to a clear reduction of T1N and of the Curie-Weiss temperature. Specific heat measurements display both transitions T1N and T2N in the compound with lower degree of oxygen vacancies. The analysis of the magnetic contribution to the specific heat Cm at low temperatures, 0.39 K < T < 0.68 K, reveals a behaviour proportional to T^2 previously discussed in the literature. However, we verify that a dependence T^3, usually found in standard antiferromagnets, describes similarly well our experimental data resulting in a velocity of magnons consistent with the ones exhibited for another pyrochlores.

Utilizando a técnica de ataque químico e microdureza realizamos um estudo sistemático dos defeitos estruturais e da microplasticidade em monocristais pertencentes ao sistema (BSCC) e em monocristais de LiNbO3. Desenvolvemos uma solução apropriada com HNO3 e H2O nas proporções de 1ml:30ml durante 20 segundos para o ataque químico dos compostos do sistema BSCC e revelamos padrões de defeitos estruturais como deslocações, terráceos (terraceds) e agrupamentos (bunchs). Além disso, fizemos uma tentativa de identificar a composição real destes compostos usando as técnicas de microscopia ótica, difração de raio-x, Laue, fluorescência de raio-x, medidas de resistividade, microdureza e ataque químico. O comportamento plástico/frágil dos cristais de Niobato de Lítio foi estudado nos planos (00.1), (01.4) e (01.0). Analisamos também a distribuição das deslocações em torno das deformações plásticas produzidas por indentações de uma ponta Vickers nas superfícies de pólos de domínios positivo e negativo sobre plano (00.1). Alguns desses resultados, como no caso da revelação de defeitos estruturais e microdureza dos compostos do sistema BSCC, podem ser considerados inéditos. Os cristais de niobato de lítio crescidos em nossos laboratórios mostraram um comportamento frágil isotrópico não convencional para esse composto, quando submetidos a tratamentos térmicos / We used etching and microindentation techniques to study the structural defects, microplasticity and microhardness in Bi-Sr-Ca-Cu-O and LiNbO3 single crystals. To revel structural defects in Bi-Sr-Ca-Cu-O crystals was developed a suitable solution of HNO3 in the ratio 1:30. The results obtained showed that there are patterns of structural defects as dislocations, terraceds and bunches in these compounds. We also did an attempt to identify the actual compositions of these compounds using optical microscopy, x-ray diffraction, Laue pattern, X-ray fluorescence, resistivity, microhardness and etching techniques. In LiNbO3 single crystals we analyzed the dislocations distributions around the plastic deformations produced by indentation experiments. The behavior plastic/fragile in LiNbO3 crystals were studied on three different perpendicular directions: to the Z-axis, to the 128 and to the (01.0). Some of these results, as the structural defects revelation and the microhardness in Bi-Sr-Ca-Cu-O compounds as well, were obtained at the first time. Also, unusual fragile behavior isotropic of LiNbO3 grown in our laboratory was found

O composto magnético geometricamente frustrado Gd2Ti2O7 da família dos pirocloros apresenta um comportamento bastante interessante, sendo que a natureza da fase magnética em baixas temperaturas se encontra ainda sob intenso debate. Este material entra em um estado antiferromagnético parcialmente ordenado à temperatura T1N ~ 1 K, apresentando outra transição de fase em T2N ~ 0.7 K. Neste trabalho é investigada a física de baixas temperaturas de amostras de Gd2Ti2O7 com defeitos estruturais tais como vacâncias de oxigênio e diluição de ítrio. Amostras policristalinas com composição Gd2Ti2O7 e Gd2-xYxTi2O7 foram sintetizadas em diferentes condições por uma rota alternativa conhecida como método sol-gel. O refinamento de um modelo para os dados de difração de raios X mostra que vacâncias de oxigênio são os principais defeitos estruturais neste material. As vacâncias de oxigênio resultam numa ligeira diminuição de T1N e numa redução da magnetização de saturação. A diluição da rede com ítrio leva a uma clara diminuição de T1N e da temperatura de Curie-Weiss. Medidas de calor específico evidenciaram as duas transições T1N e T2N no composto com menor grau de vacâncias de oxigênio. A análise da contribuição magnética ao calor específico Cm em baixas temperaturas, 0.39 K < T < 0.68 K, revelou um comportamento proporcional a T^2 previamente discutido na literatura. Entretanto, verificamos que uma dependência T^3, usualmente encontrada em antiferromagnetos convencionais, descreve igualmente bem nossos dados experimentais resultando em uma velocidade de magnons consistente com a apresentada por outros pirocloros. / The geometrically frustrated compound Gd2Ti2O7 of the pyrochlore family displays such an interesting behaviour that the nature of the ordered magnetic phase at low temperatures is still under intense discussion. This material enters in a partially ordered magnetic state at a temperature T1N ~ 1 K, and there is another phase transition at T2N ~ 0.7 K. In this thesis we study the low temperature physics of Gd2Ti2O7 with structural defects such as oxygen vacancies and yttrium dilution. Polycrystalline samples of Gd2Ti2O7 and Gd2-xYxTi2O7 were synthesized in different conditions by an alternative route known as the sol-gel method. The refinement of a model for the X-ray diffraction data reveal that the oxygen vacancies are the leading defects in this material. The oxygen vacancies result in a slight decrease of T1N and in a reduction of the saturation magnetization. The yttrium dilution of the lattice leads to a clear reduction of T1N and of the Curie-Weiss temperature. Specific heat measurements display both transitions T1N and T2N in the compound with lower degree of oxygen vacancies. The analysis of the magnetic contribution to the specific heat Cm at low temperatures, 0.39 K < T < 0.68 K, reveals a behaviour proportional to T^2 previously discussed in the literature. However, we verify that a dependence T^3, usually found in standard antiferromagnets, describes similarly well our experimental data resulting in a velocity of magnons consistent with the ones exhibited for another pyrochlores.

Utilizando a técnica de ataque químico e microdureza realizamos um estudo sistemático dos defeitos estruturais e da microplasticidade em monocristais pertencentes ao sistema (BSCC) e em monocristais de LiNbO3. Desenvolvemos uma solução apropriada com HNO3 e H2O nas proporções de 1ml:30ml durante 20 segundos para o ataque químico dos compostos do sistema BSCC e revelamos padrões de defeitos estruturais como deslocações, terráceos (terraceds) e agrupamentos (bunchs). Além disso, fizemos uma tentativa de identificar a composição real destes compostos usando as técnicas de microscopia ótica, difração de raio-x, Laue, fluorescência de raio-x, medidas de resistividade, microdureza e ataque químico. O comportamento plástico/frágil dos cristais de Niobato de Lítio foi estudado nos planos (00.1), (01.4) e (01.0). Analisamos também a distribuição das deslocações em torno das deformações plásticas produzidas por indentações de uma ponta Vickers nas superfícies de pólos de domínios positivo e negativo sobre plano (00.1). Alguns desses resultados, como no caso da revelação de defeitos estruturais e microdureza dos compostos do sistema BSCC, podem ser considerados inéditos. Os cristais de niobato de lítio crescidos em nossos laboratórios mostraram um comportamento frágil isotrópico não convencional para esse composto, quando submetidos a tratamentos térmicos / We used etching and microindentation techniques to study the structural defects, microplasticity and microhardness in Bi-Sr-Ca-Cu-O and LiNbO3 single crystals. To revel structural defects in Bi-Sr-Ca-Cu-O crystals was developed a suitable solution of HNO3 in the ratio 1:30. The results obtained showed that there are patterns of structural defects as dislocations, terraceds and bunches in these compounds. We also did an attempt to identify the actual compositions of these compounds using optical microscopy, x-ray diffraction, Laue pattern, X-ray fluorescence, resistivity, microhardness and etching techniques. In LiNbO3 single crystals we analyzed the dislocations distributions around the plastic deformations produced by indentation experiments. The behavior plastic/fragile in LiNbO3 crystals were studied on three different perpendicular directions: to the Z-axis, to the 128 and to the (01.0). Some of these results, as the structural defects revelation and the microhardness in Bi-Sr-Ca-Cu-O compounds as well, were obtained at the first time. Also, unusual fragile behavior isotropic of LiNbO3 grown in our laboratory was found

Nesse trabalho investigamos a influência de defeitos nas propriedades estruturais, eletrônicas e mecânicas de nanotubos de parede simples (SWCNT), em feixes de nanotubos e em nanotubos de parede múltipla (MWCNT). Todos os nossos resultados foram obtidos utilizando uma teoria de primeiros princípios de energia total, a Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Investigamos as propriedades estruturais para quatro defeitos em nanotubos de parede simples: Stone-Wales (5577), monovacância e duas divacâncias (585) e (555777), e o comportamento da energia de formação em função do diâmetro para as quatro estruturas. Observamos que as divacâncias apresentam uma inversão de estabilidade, quando comparamos as energias de formação desses defeitos em nanotubos com o grafeno e, alám disso, as divacâncias são os defeitos mais importantes na modificação das propriedades de transporte em SWCNT. Estudamos a estabilidade e as propriedades de transporte desses sistemas e observamos que o defeito 585 é menos estável em grafeno devido à quebra de duas ligações dos pentágonos do defeito. O defeito 555777 torna-se mais estável do que o 585 para os CNT armchair (zigzag) com o diâmetro 40 °A (53 °A). Investigamos as propriedades estruturais e mecânicas de feixes de nanotubos com os defeitos do tipo vacância-vacância, V¹2 e V²2 . Devido à estrutura geomátrica dos nanotubos, esses defeitos possuem energia de formação menores do que em grafeno. Apresentaremos como as conexões modificam o módulo de cisalhamento dos nanotubos e também mostraremos o processo de formação das conexões através do método Nudged Elastic Band- NEB. Por fim, foram investigadas as propriedades estruturais e mecânicas de nanotubos de parede dupla (DWCNT) com defeitos do tipo vacância-interstício (defeito de Wigner) e os defeitos do tipo vacância-vacância (defeitos V¹2 e V ²2 ). Mostraremos que neste sistema existem várias possibilidades para o defeito de Wigner. Observamos que o defeito de Wigner mais estável é o que possui um pentágono no tubo interno e que os átomos do pentágono, formados pelo defeito, participam da conexão (Wigner-I-a). Investigamos a estabilidade desses defeitos em duas concentrações (½d = 0.082 [def.°A1] e ½d = 0.164 [def.°A1]). As propriedades mecânicas desses sistemas foram investigadas e constatamos uma melhora do módulo de cisalhamento por um fator de até 15, quando comparado com o sistema sem defeito e, quando dobramos a concentração de defeitos, o módulo de cisalhamento aumenta por um fator de 3 em relação ao sistema com a concentração inicial. Apresentaremos um estudo da transferência de tensão entre as paredes dos nanotubos através das conexões, e mostraremos que, dependendo da concentração de defeitos, a transferência de tensão pode chegar até 75% da tensão máxima. / We have investigated the influence of defects on structural, electronic and mechanical properties of single-walled carbon nanotubes (SWCNT), bundles of nanotubes and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). All our results were obtained with the first principles theory of total energy - Density Functional theory (DFT). We have investigated the structural properties of four defects in single-walled nanotubes: Stone-Wales (5577), monovacancy and two divacancies (585) and (555777). We show the behavior of the formation energy as a function of tube diameter for all structures. In this study, we have observed that divacancies have a stability reversal, when we compare the formation energies of these defects in nanotubes and graphene and, moreover, they are the most important defects in the modification of transport properties of SWCNT. We have studied the stability and transport properties of these systems. The defect 585 is less stable in graphene due to two breaks bonds in pentagons. We have observed that the 555777 becomes more stable than the 585, for armchair (zigzag) with a diameter of about 40 °A (53 °A), respectively. We have studied the structural and mechanics properties of bundles of carbon nanotubes with vacancy-vacancy defects, V¹2 and V² 2 . Due to carbon nanotube geometric structure these defects have lower formation energy than in graphene. These defects can form connections between the walls of this bunldes and we present how this imperfection can change the shear modulus of this nanotubes. We have also studied the barrier to form the connection with the method Nudged Elastic Band- NEB. Finally, we have investigated the structural and mechanical properties of multiwalled nanotubes (MWCNT) with defects like vacancy-interstitial (Wigner defect) and vacancy-vacancy (V¹2 and V² 2 defects). We show that this system have several possibilities for the Wigner defect. We observed that the more stable of all vacancyinterstitial defect is the case of the system that have a pentagon in the inner tube and the pentagon atoms participate in the connection (Wigner-Ia defect). We have studied the stability of these defects in two concentrations (½d = 0.082 [def.°A1] and ½d = 0.164 [def.°A1]). In the study of mechanical properties in these systems, we observe the improvements in shear modulus by a factor of up to 15, compared with the system without connection. When we doubled the concentration of defects the shear modulus increases by a factor of 3. We present a study of load transfer between the walls of DWCNT through the connections and we show that depending on the concentration of defects, the load transfer could be up to 75% of the maximum load.

Nesse trabalho investigamos a influência de defeitos nas propriedades estruturais, eletrônicas e mecânicas de nanotubos de parede simples (SWCNT), em feixes de nanotubos e em nanotubos de parede múltipla (MWCNT). Todos os nossos resultados foram obtidos utilizando uma teoria de primeiros princípios de energia total, a Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Investigamos as propriedades estruturais para quatro defeitos em nanotubos de parede simples: Stone-Wales (5577), monovacância e duas divacâncias (585) e (555777), e o comportamento da energia de formação em função do diâmetro para as quatro estruturas. Observamos que as divacâncias apresentam uma inversão de estabilidade, quando comparamos as energias de formação desses defeitos em nanotubos com o grafeno e, alám disso, as divacâncias são os defeitos mais importantes na modificação das propriedades de transporte em SWCNT. Estudamos a estabilidade e as propriedades de transporte desses sistemas e observamos que o defeito 585 é menos estável em grafeno devido à quebra de duas ligações dos pentágonos do defeito. O defeito 555777 torna-se mais estável do que o 585 para os CNT armchair (zigzag) com o diâmetro 40 °A (53 °A). Investigamos as propriedades estruturais e mecânicas de feixes de nanotubos com os defeitos do tipo vacância-vacância, V¹2 e V²2 . Devido à estrutura geomátrica dos nanotubos, esses defeitos possuem energia de formação menores do que em grafeno. Apresentaremos como as conexões modificam o módulo de cisalhamento dos nanotubos e também mostraremos o processo de formação das conexões através do método Nudged Elastic Band- NEB. Por fim, foram investigadas as propriedades estruturais e mecânicas de nanotubos de parede dupla (DWCNT) com defeitos do tipo vacância-interstício (defeito de Wigner) e os defeitos do tipo vacância-vacância (defeitos V¹2 e V ²2 ). Mostraremos que neste sistema existem várias possibilidades para o defeito de Wigner. Observamos que o defeito de Wigner mais estável é o que possui um pentágono no tubo interno e que os átomos do pentágono, formados pelo defeito, participam da conexão (Wigner-I-a). Investigamos a estabilidade desses defeitos em duas concentrações (½d = 0.082 [def.°A1] e ½d = 0.164 [def.°A1]). As propriedades mecânicas desses sistemas foram investigadas e constatamos uma melhora do módulo de cisalhamento por um fator de até 15, quando comparado com o sistema sem defeito e, quando dobramos a concentração de defeitos, o módulo de cisalhamento aumenta por um fator de 3 em relação ao sistema com a concentração inicial. Apresentaremos um estudo da transferência de tensão entre as paredes dos nanotubos através das conexões, e mostraremos que, dependendo da concentração de defeitos, a transferência de tensão pode chegar até 75% da tensão máxima. / We have investigated the influence of defects on structural, electronic and mechanical properties of single-walled carbon nanotubes (SWCNT), bundles of nanotubes and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). All our results were obtained with the first principles theory of total energy - Density Functional theory (DFT). We have investigated the structural properties of four defects in single-walled nanotubes: Stone-Wales (5577), monovacancy and two divacancies (585) and (555777). We show the behavior of the formation energy as a function of tube diameter for all structures. In this study, we have observed that divacancies have a stability reversal, when we compare the formation energies of these defects in nanotubes and graphene and, moreover, they are the most important defects in the modification of transport properties of SWCNT. We have studied the stability and transport properties of these systems. The defect 585 is less stable in graphene due to two breaks bonds in pentagons. We have observed that the 555777 becomes more stable than the 585, for armchair (zigzag) with a diameter of about 40 °A (53 °A), respectively. We have studied the structural and mechanics properties of bundles of carbon nanotubes with vacancy-vacancy defects, V¹2 and V² 2 . Due to carbon nanotube geometric structure these defects have lower formation energy than in graphene. These defects can form connections between the walls of this bunldes and we present how this imperfection can change the shear modulus of this nanotubes. We have also studied the barrier to form the connection with the method Nudged Elastic Band- NEB. Finally, we have investigated the structural and mechanical properties of multiwalled nanotubes (MWCNT) with defects like vacancy-interstitial (Wigner defect) and vacancy-vacancy (V¹2 and V² 2 defects). We show that this system have several possibilities for the Wigner defect. We observed that the more stable of all vacancyinterstitial defect is the case of the system that have a pentagon in the inner tube and the pentagon atoms participate in the connection (Wigner-Ia defect). We have studied the stability of these defects in two concentrations (½d = 0.082 [def.°A1] and ½d = 0.164 [def.°A1]). In the study of mechanical properties in these systems, we observe the improvements in shear modulus by a factor of up to 15, compared with the system without connection. When we doubled the concentration of defects the shear modulus increases by a factor of 3. We present a study of load transfer between the walls of DWCNT through the connections and we show that depending on the concentration of defects, the load transfer could be up to 75% of the maximum load.

Orientador: Daniel Mário Ugarte / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T20:15:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tizei_LuizHenriqueGalvao_D.pdf: 12237887 bytes, checksum: e97ac7041ecfd4c30088cf9b43d9849a (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O desenvolvimento de novos materias tem grande interesse devido à ocorrência de novos fenômenos e propriedades, as quais podem ser usadas em futuras aplicações tecnológicas. Em particular, nas últimas décadas, esforços imensos foram realizados buscando compreender nanomateriais e os efeitos da redução de tamanho e de dimensão. Entre os diferentes avanços alcançados, podemos citar o desenvolvimento significativo de nanofios semicondutores (estruturas quasi-unidimensionais) com dezenas ou centenas de nanometros de espessura e milhares de nanometros de comprimento. O método mais utilizado para o crescimento de nanofios é o método catalítico chamado VLS (Vapor-Líquido-Sólido), no qual uma nanopartícula metálica serve como sorvedouro preferencial de átomos de um vapor e, também, como posição para a formação de um sólido (nanofio). O VLS foi proposto por Wagner e Ellis nos anos 60. Em nossos trabalhos, nos concentramos no estudo de nanofios de semicondutores III-V crescidos em um reator de Epitaxia de Feixe Químico (CBE) catalisados por nanopartículas de Au. Mais especificamente, estudamos nanofios de InP, InAs, InGaP, InAsP e heteroestruturas InP/InAs/InP. Como a qualidade de interfaces e homogeneidade química do material crescido, influenciam diretamente as propriedades ópticas e elétricas de nanofios, nossa pesquisa nos levou a avaliar os limites da aplicação de diversas técnicas de microscopia eletrônica de transmissão aplicadas: TEM (Microscopia Eletrônica de Transmissão), STEM (Microscopia Eletrônica de Transmissão em Varredura), HRTEM (Microscopia Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução), EDS (Espectroscopia de Raios-X Dispersados em Energia) e EELS (Espectroscopia de Perda de Energia de Elétrons). Como consequência, determinamos os limites de detecção de variações químicas e de medidas de larguras de interfaces das diferentes técnicas. Em particular, devido às limitações impostas pelo dano por radiação no material, propusemos o uso de deslocamentos químicos de plasmons (EELS) para a caracterização química de nanoestruturas de semicondutores III-V. Desenvolvemos uma metodologia para a análise de seções transversais de nanofios de InAsP. Os experimentos realizados indicam a diferença entre os semicondutores produzidos por crescimento axial (catalítico) e por radial (bidimensional). Além disso, a análise química detalhada de heteroestruturas InP/InAs/InP levou a detecção de concentrações inesperados de As no segmento final de InP. Interpretamos esta observação como uma indicação de que As difunde através da nanopartícula catalisadora durante o crescimento, demonstrando uma rota de incorporação de elementos do grupo V em nanofios crescidos pelo método VLS. Finalmente, estudamos os efeitos de defeitos estruturais extendidos, como discordâncias na morfologia e distorções estruturais de nanofios. Neste sentido, observamos a torção de Eshelby em nanofios de InP contendo discordâncias em parafuso únicas. Nossos resultados mostram que as taxas de torção medida são muito maiores (até 100%) do que o previsto pela teoria elástica macroscópica. Isto mostra as mudanças significativas nas propriedades mecânicas e estruturais em nanoestruturas e ilustra o papel importante de estudos detalhados de microscopia eletrônica para a análise de deformações em nanoestruturas / Abstract: The development of new materials has great interest due to the possibility of finding new phenomena and properties, which can be used in technological applications. In particular, in the last decades, huge efforts have been made in order to understand nanomaterials and, the effects of size and dimensionality reduction. Among different advances, it is worth noting the significant development of semiconductor nanowires (quasi-one dimensional structures) with tens or hundreds of nanometers in diameter and thousands of nanometers in length. The catalytic method VLS (Vapor-Liquid-Solid) is the most used approach for nanowire preparation, in which a metal nanoparticle serves as a preferential sink for atoms from a vapor and, also, as the position for the solid nucleation; this method was proposed by Wagner and Ellis in the 60s. In our work, we have focused on the study of III-V semiconductor nanowires grown by Chemical Beam Epitaxy (CBE) catalyzed by Au nanoparticles. Specifically, we have studied different III-V nanowires (InP, InAs, InGaP and InAsP), as ell as, some heterostructured wires (InP/InAs/InP). As the quality of interfaces and the chemical homogeneity of materials directly influence the optical and electrical properties of nanowires, our research have led us to assess the limit of applicability of several characterization techniques based on transmission electron microscopy: TEM (Transmission Electron Microscopy), STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy), HRTEM (High Resolution Transmission Electron Microscopy), EDS (Energy Dispersed X-Ray Spectroscopy) and EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy). As a consequence, we have determined the detection limit for the measurement of chemical composition variations and interface widths. In particular, due to the limitations imposed by radiation damage on III-V nanowires, we have proposed the use of Plasmon chemical shifts (EELS) to the chemical characterization of III-V nanostructures. We have analyzed the cross sections of InAsP nanowires and we have been able to reveal a difference between the semiconductors materials produced by the axial (catalytic) and radial (bidimensional) growth. Through the detailed chemical analysis of InP/InAs/InP heterostructures we have detected an unexpected concentration of As in the last InP segment of the heterostructure. We have interpreted this result as an indication that As diffuses through the catalytic nanoparticle during growth. This demonstrates an incorporation route for group V atoms in nanowires grown by VLS. Finally, we have studied the effects of extended structural defects, like dislocations, in the morphology and structural distortions of nanowires. In this sense, we have observed the Eshelby twist in InP nanowires containing a single screw dislocation. Our results show that measured twist rates are much larger (up to 100%) than the predictions from the elasticity theory. This shows the significant change of mechanical and structural properties in nanoscale and, illustrates the important role of a careful electron microscopy studies to analyze deformations in nanostructures / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências