O presente trabalho é um estudo sobre a importância da informação dos orbitais atômicos no cálculo de propriedades optoeletrônicas de heteroestruturas semicondutoras de baixa dimensionalidade. O trabalho é dividido em duas partes: na primeira parte, é estudada a simetria de reversão temporal no hamiltoniano k . p, analisando a preservação da informação de spin presente nos orbitais atômicos. O hamiltoniano obtido é inserido na equação de massa efetiva expandida para superredes. São calculadas estruturas de bandas de alguns poços quânticos de semicondutores III-V e grupo-IV. Compara-se o novo método com os tradicionais, e então são analisadas algumas grandezas que apresentam alteração significativa entre os métodos usados; A segunda parte é composta por um estudo detalhado do potencial de troca-correlação em semicondutores dopados. A matriz que descreve este potencial é escrita usando a distribuição de portadores presentes nos orbitais atômicos da rede cristalina, e os coeficientes desta matriz foram calculados usando quatro modelos para a correção de muitos corpos, baseadas nas aproximações LDA (Local density approximation) e LSDA (Local spin density approximation), com o objetivo de comparar as diversas parametrizações. Usando o método k . p tradicional, expandido para superredes, foram simulados sistemas δ-doped e hMni-δ-doped de Si, através de um cálculo autoconsistente baseado na equação de Poisson. A magnetização dos portadores é descrita por um modelo de campo médio. Foram analisados os perfis de potencial, estruturas de bandas, polarização de portadores e espectros de fotoluminescência para determinar as diferenças entre as aproximações utilizadas. / This work is a study about the atomic orbitals information importance in the calculation of optoelectronics properties of low dimensionality semiconductors. The work is divided in two parts. In the first one, a study of the time reversal symmetry of the k . p Hamiltonian is realized analyzing the preservation of the spin information present in the atomic orbitals. The obtained Hamiltonian is applied in the effective mass equation expanded to superlattices. Some calculations of quantum wells band structures are made using III-V and group-IV semiconductors, comparing the new method with the conventional ones to obtain an analysis of the difference of some physics properties. The second part is a detailed study of the exchangecorrelation potential in doped semiconductors. The matrix coefficients are calculated using the charge distribution of the crystalline lattice atomic orbitals, applied in some LDA (Local density approximation) and LSDA (Local spin density approximation) parameterizations to compare them. Using the conventional k . p method expanded to superlattices, Si δ-doped and hMni-δ-doped systems were calculated through a self consistent calculation based on Poissons equation. The carriers magnetization is described by an average field model. The potential profiles, band structures, carrier polarization and photoluminescence spectra were analyzed to obtain the difference between the approaches.

Heteroestruturas digitais magnéticas (DMHs) são estruturas semicondutoras em que a distribuição de impurezas magnéticas (Mn) restringe-se a alguns arranjos bidimensionais (monocamadas) regularmente espaçados entre si. Na presença de um campo magnético, a interação de troca sp-d entre os momentos magnéticos localizados e os portadores itinerantes é responsável por um desdobramento de spin gigante, da ordem ou até superior que a separação cíclotron dos níveis de Landau. Aqui eu calculo a estrutura eletrônica de poços quânticos digitais magnéticos do grupo II-VI. Resolvo as equações de Kohn-Sham da teoria do funcional da densidade dependente de spin na aproximação de massa efetiva. Eu então calculo diversas propriedades magnetoópticas e de transporte relevantes experimentalmente. Em particular, eu investigo a física dependente de spin presente nestes sistemas sob dois diferentes pontos de vista. Primeiramente o enfoque é no efeito do magnetismo do Mn sobre o potencial dependente de spin da interação de troca sp-d, em particular nos efeitos da aglomeração antiferromagnética e da diluição do seu perfil de concentração (segregação e interdifusão). Ao considerar estes efeitos eu reproduzo resultados experimentais para desdobramento de spin $Delta_E$ e tempos de espalhamento de spin $tau_$ [S. A. Crooker et al., Phys. Rev. Lett. 75, 505 (1995); Phys. Rev. B 61, 1736 (2000)]. Na segunda parte eu mudo o enfoque para a física de gases de elétrons bidimensionais (2DEGs) altamente polarizados e mostro a importância da forte dependência de spin das contribuições de muitos corpos (troca e correlação) presentes nestes sistemas. Em particular, estes efeitos são relevantes para o surgimento de fases de ferromagnetismo de efeito Hall quântico. Eu calculo o magnetotransporte no regime de efeito Hall quântico para DMHs baseadas em ZnSe e CdTe. Meus resultados reproduzem resultados experimentais [R. Knobel et al., Phys. Rev. B 65, 235327 (2002); J. Jaroszynski et al., Phys. Rev. Lett. 89, 266802 (2002)] para a dependência com o campo magnético, com a temperatura, o aparecimento de picos anômalos e o surgimento de curvas de histerese em várias propriedades físicas. / Digital magnetic heterostructures (DMHs) are semiconductor structures with magnetic impurities (Mn) restricted to some planar arrangements (monolayers) regularly spaced. In the presence of an external magnetic field, the sp-d exchange interaction between the localized magnetic moments and the itinerant carriers is responsible for a giant spin splitting, of the order of, or even greater than, the cyclotron separation between Landau levels. Here I calculate the electronic structure of group II-VI digital magnetic quantum wells. I solve the Kohn-Sham equations of the spin-density functional theory within the effective mass approximation. Then I calculate some magneto-optical and transport properties which are experimentally relevant. In particular, I investigate the spin dependent physics of these systems from two different points of view. First, I focus on effects of the Mn magnetism on the sp-d exchange spin dependent potential, particularly the effect of antiferromagnetic clustering and the effect of dilution (segregation and interdiusion) of the Mn content prole. By considering these effects I reproduce experimental results for the spin splitting $Delta_E$ and spin scattering times $tau_$ [S. A. Crooker et al., Phys. Rev. Lett. 75, 505 (1995); Phys. Rev. B 61, 1736 (2000)]. In the second part I move on to the physics of spin-polarized two-dimensional electron gases (2DEGs), and show the relevance of the strong dependence of the many-body contributions (exchange and correlation) with the spin polarization. In particular, these effects are relevant for the development of quantum Hall ferromagnetic phases. I calculate magneto- transport in the quantum Hall eect regime for DMHs consisting of ZnSe and CdTe. My results reproduce experimental results [R. Knobel et al., Phys. Rev. B 65, 235327 (2002); J. Jaroszynski et al., Phys. Rev. Lett. 89, 266802 (2002)] for the dependence with magnetic eld, temperature, development of anomalous resistivities spikes and hysteretic behaviors in many physical properties.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Neste trabalho, foram estudadas as caracterÃsticas estruturais de nanopartÃculas de Ãxidos semicondutores SnO2 dopadas com ferro, atravÃs de difraÃÃo de raios-x e espectroscopia MÃssbauer. O composto em estudo (Sn1−xFexOy) foi preparado por moagem mecÃnica de altas energias e sol-gel proteico. As amostras preparadas por moagem apresentaram aumento de dopagem na matriz semicondutora como funÃÃo do tempo de moagem, mas tambÃm apresentaram impurezas indesejÃveis provenientes do recipiente e das esferas que foram utilizadas na sÃntese. Uma sÃrie de amostras com concentraÃÃes variadas de ferro foram lavadas com HCl e reanalisadas. Resultados obtidos dessas medidas mostram que o ferro entra na rede do SnO2 substituindo o Sn de forma aleatÃria independente da concentraÃÃo de ferro. TambÃm foi observado a formaÃÃo de um sÃtio de ferro com deficiÃncia de oxigÃnio que à atribuÃdo ao desbalanÃo estequiomÃtrico dos compostos precursores usados na moagem. Amostras de SnO2 nanoparticuladas foram sintetizados pelo mÃtodo sol-gel proteico com trÃs temperaturas de calcinaÃÃo. Foi observado que o tamanho de partÃcula à diretamente proporcional à temperatura de calcinaÃÃo. TambÃm por sol-gel proteico foram preparadas amostras de Sn0,90Fe0,10O2 nanoparticulado. Foi identificado que a temperatura de calcinaÃÃo de 400ÂC hà formaÃÃo de Fe2O3 espÃrio. Jà a 300ÂC a Ãnica fase presente à a de SnO2 dopada com ferro. Assim como nas amostras produzidas por moagem, essa amostra apresentou dois sÃtios de ferro como valores de quadrupolo menor do que na moagem indicando menor distorÃÃo da rede cristalina. A quantidade relativa de sÃtios com deficiÃncia de oxigÃnio à bem menor nas amostras preparadas por sol-gel mostrando que o composto produzido por sol-gel proteico possui uma concentraÃÃo mais estequiomÃtrica do que os preparados por moagem. / In this work structural characterization by x-ray diffraction and MÂossbauer spectroscopy of Fe-doped semiconducting oxide SnO2 nanoparticles is reported. The compound under study (Sn1−xFexOy) was prepared by high energy ball milling and proteic sol-gel. The samples prepared by ball milling showed an increase of Fe-doping in the semiconducting matrix as a function of milling time, as well as amounts of undesirable metallic iron impurities from the milling tools. A series of samples with various Fe concentrations were HCl-washed in order to eliminate the impurities. Results obtained from measurements on these samples showed that Fe enters the host matrix randomly replacing Sn in octahedral sites regardless of iron concentration. It was also showed the presence of oxygen deficient iron sites attributed to the stoichiometric unbalance of precursor materials used in the milling process. Samples of nanosized SnO2 were prepared by proteic sol-gel with three calcination temperatures. It was found that average particle sizes are directly proportional to the temperature. Nanostructured Sn90Fe10O2 was also synthesized by proteic sol-gel. Formation of spurious Fe2O3 was found at calcination temperature of 400ÂC. At 300ÂC, on the other hand, monophased Fe-doped SnO2 was achieved. Likewise the milled samples, this sample presented two different octahedral iron sites, although with quadrupole splitting slightly smaller than those for the milled samples indicating a less distorted crystal structure. The significantly smaller relative number of oxygen-deficient sites in the proteic sol-gel sample shows that this compound has a more stoichiometric concentration of Fe, Sn and O than those prepared by ball milling.

A dependência com a temperatura dos tempos de relaxação nuclear e da forma da linha de ressonância dos núcleos F0, nos antiferromagnetos diluidos Fex Zn1-x F2 e Mnx Zn1-x F2, foram estudados na faixa TN&#8804;T&#8804;300K. Os tempos de relaxação spin, rede (1/T1) dos núcleos F0, os quais não estão acoplados aos spins Fe (ou Mn) através da interação hiperfina transferida, foram medidos e calculados teoricamente em função da concentração x. Os resultados teóricos apresentam uma boa concordância com os dados experimentais para concentrações na faixa 0.1&#8804;x&#8804;0.8. A dependência com a temperatura de 1/T1, para TN<T&#8804;300K foi entendido qualitativamente em ambos sistemas. Os resultados obtidos para 1/T1, em temperaturas próximas de TN foram utilizados para estudar os \"Efeitos de Campo Aleatório\" no comportamento crítico do Mn.65Zn.35 F2 com o campo aplicado paralelamente e perperdicularmente ao eixo fácil (C). Encontrou-se neste caso, que a temperatura de transição TN decresce substancialmente com o aumento da intensidade do campo somente quando H0 || C. Os resultados experimentais obtidos estão de acordo com as teorias do Efeito de Campos Aleatórios em antiferromagnetos anisotrópicos diluídos. A divergência crítica do segundo momento da linha de ressonância não homogeneamente alargada do F0 foi estudada acima de TN. Os resultados experimentais concordam com os cálculos de Heller para o alargamento não homogêneo causado por Efeitos de Campos Aleatórios. Observou-se que a forma da linha se altera na região crítica. Longe de TN ela é Gaussiana e para t&#8804;10-2 ela mostra uma tendência a se tornar Lorentziana. Abaixo de TN a sua meia largura aumenta, seguindo qualitativamente o aumento da magnetização das sub-redes. / The temperature dependence of the nuclear relaxation rates and line shapes of the F0 resonance in the diluted antiferromagnet Fex Zn1-x F2 and Mnx Zn1-x F2 are studied over a large temperature range TN&#8804;T&#8804;300K. The high (room) temperature spinlattice relaxation rates (1/ T1) of the F0 nuclei, which are not transfer hiperfine coupled to the Fe (or Mn) spins, have been measured and calculated as a function of the concentration x. Good agreement with experiment is found for the theoretical results, which have been obtained in the range 0.1&#8804;x&#8804;0.8. The temperature dependence of TN<T&#8804;300K was qualitatively understood \"Random Field Effects\" on the critical behavior of Mn.65Zn.35 F2, for fields applied parallel and perpendicular to the easy (C) axis. It was found that the transition temperature TN depressed substantially with field only for H0 || C. The experimental results are in general accord with the theory for Random Field Effects in desordered, anisotropic antiferromagnets. The critical divergence of the in homogeneously broadened F0 NMR was studied in Fe.6Zn.4F2 above TN. The experimental results agree with Heller\'s calculation of the NMR line broadening by Random Field Effects. With H0 || C the line shape changes from Gaussian towards Lorentzian for t&#8804;10-2 and below TN its line width increase qualitatively following increase in the sublattice magnetization.

Orientador: José Antônio Brum / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T13:58:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mendes_UdsonCabral_D.pdf: 12052104 bytes, checksum: 67d2d70413e86cd914ef0145b639ff5b (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Nesta tese, investigamos teoricamente as propriedades eletrônicas e ópticas de poços quânticos e pontos quânticos de semicondutores magnéticos diluídos. Este estudo é fortemente motivado por muitos resultados experimentais sobre as propriedades ópticas desse materiais. Usando a teoria do funcional da densidade dependente de spin descrevemos os estados eletrônicos como função do campo magnético externo para poços quânticos que possuem barreiras dopadas com impurezas magnéticas. Nosso modelo leva em conta os efeitos de muitos-corpos do gás de buracos e as interações entre portadores e os íons magnéticos. Comparamos nossos resultados com os dados experimentais disponíveis, que apresentam forte oscilações da luz polarizada circularmente como função do campo magnético. Nossos resultados apresentam excelente concordância qualitativa e quantitativa com os resultados experimentais. Mostramos que os efeitos de troca do gás de buraco são responsáveis pela forte oscilação observada na fotoluminescência. Também realizamos uma investigação sistemática dos parâmetros da heteroestrutura afim de aumentar a interação de troca entre portadores e íons de Mn. Com o nosso modelo entedemos os diferentes regimes de relaxação de spin do elétron em poços quânticos com barreiras dopadas com impurezas magnéticas. Nós também investigamos as propriedades eletrônicas e ópticas de pontos quânticos carregados dopados com uma única impureza magnética em seu centro. Usando métodos de diagonalização exata mostramos que os elétrons que não estão diretamente acoplados com o íon de Mn acoplam-se via uma interação indireta que é mediada pela interação elétron-elétron. Este acoplamento indireto entre elétrons e Mn pode ser tanto ferromagnético quanto antiferromagnético dependendo de ambos confinamento e número de camadas eletrônicas confinadas no ponto quântico. Demonstramos que este acoplamento indireto é um efeito importante mesmo quanto o íon de Mn não esta no centro do ponto quântico. O acoplamento indireto existe independentemente do tipo de interação direta entre portadores e a impureza magnética. Também extendemos a teoria de fotoluminescência para essa heteroestrutura. Observamos que a interação indireta entre portadores e íon magnético gera uma estrutura fina em ambos os estados iniciais e finais da emissão, o que nos permite determinar o número de camadas confinadas no ponto quântico e o spin eletrônico. Com esse método de diagonalização exata, explicamos a origem da estrutura fina do biexciton confinado em um ponto quântico dopado com uma única impureza magnética / Abstract: In this thesis, we theoretically investigate the electronic and optical properties of diluted magnetic semiconductors quantum wells and quantum dots. This is strongly motivated by many experimental results on the optical properties of these materials. Using spin-density functional theory we described the electronic states as a function of the external magnetic field for quantum wells which have barriers doped with magnetic impurities. Our model takes into account the many-body effects of the two-dimensional hole gas and the interaction between carriers and the magnetic ions. We compare our findings with the available experimental data, which shows strong oscillations in the circularly polarized light as a function of the magnetic field. Our results show excellent qualitative and quantitative agreement with the experimental data. We show that the hole gas exchange effects are responsible for the strong oscillations observed in the photoluminescence. We perform a systematic investigation of the heterostructure parameters in order to enhance the carriers-Mn exchange interaction. With our model we understand the different regime of the electron¿s spin relaxation in quantum wells with barriers doped with Mn impurities. We also investigate the electronic and optical properties of charged quantum dots doped with a single magnetic impurity in its center. Using an exact diagonalization method we show that the electrons that are not directly coupled with Mn do so via an indirect coupling mediated by electron-electron interaction. This indirect electron-Mn coupling can be either ferromagnetic or antiferromagnetic depending on both quantum dot confinement and the number of electronic confined shells. We also demonstrate that the indirect electron-Mn coupling is an important effect even when Mn is off-center. This coupling exists independently of the type of the direct interaction between carriers and Mn impurity. We also extend the theory of photoluminescence for charged quantum dots containing a single magnetic impurity. We show that the indirect interaction between carriers and magnetic ion generates a fine structure in both initial and final states of the emission, which allows us to determinate the number of confined shells in the quantum dots and the electronic spins. Whit this exact diagonalizationmethod, we explain the origin of the fine structure of a biexciton confined in quantum dot containing a single Mn impurity / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Canada has become increasingly economically dependent on the exportation of bitumen to trans-oceanic international markets. As the export of Alberta bitumen from ports located in British Columbia increases, oil spill response and readiness measures become increasingly important. Although the frequency of ship-source oil spills has dramatically declined over the past several decades, they remain environmentally devastating when they occur. In the event of a marine spill, great lengths of shoreline are at risk of being contaminated. Once ashore, oil can persist for decades if shoreline hydraulic conditions are correct and remediation does not occur. Most commonly transported oils (e.g., fuel oils, Bunker C, crude oil, etc.) have been thoroughly studied, and their fate and behaviour in the event of a marine spill is well understood. In contrast, because diluted bitumen has been historically traded in relatively low quantities and has almost no spill history, there is a sizable knowledge gap regarding its effects and behaviour in both the marine environment and on coastal shorelines. The intent of this thesis was to develop a classification scheme to identify marine shorelines of high and low diluted bitumen (dilbit) retention for southeastern Vancouver Island, British Columbia. This study builds upon the outcome of former laboratory bench top dilbit and sediment research known as Bitumen Experiments (Bit_Ex). Bit_Ex investigated dilbit penetration and retention in six engineered sediment classifications ranging from coarse sand to very large pebble in accordance with the Wentworth Classification scheme. This research used Bit_Ex findings to predict dilbit retention in poorly sorted in-situ beach sediments found on shorelines representative of the southern coast of Vancouver Island, British Columbia, Canada. Field and laboratory measurements were conducted to document the occurrence of in-situ shoreline sediments and hydraulic conditions and were used to predict dilbit retention by comparing such characteristics between Bit_Ex and unconsolidated in-situ beach sediments. Saturated hydraulic conductivity (Ks) was measured using a double-ring constant-head infiltrometer. Measured Ks values were then compared to predicted Ks values generated by five semi-empirical Ks equations. A modified version of the Hazen Approximation was selected as the most appropriate. Using measured and calculated metrics, sediments were grouped as having either low or high dilbit retention. When sediments were analysed as homogenous samples, the experimental results suggested two of ten shorelines were composed of a combination of low and high retention sections, while the remaining eight sites were of low retention. Upon the isolation of coarse surface strata, results indicated two shorelines were entirely veneered with high retention sediments, and four shorelines were a combination of high and low retention. The residual four shorelines were found to be entirely composed of low retention sediments. The results illuminate the importance of shoreline stratification when predicting shoreline oil retention. This characteristic is a factor that current shoreline oil retention mapping techniques do not adequately consider. Additionally, the findings suggest that while sediments indicative of retaining weathered dilbit are relatively uncommon within Juan de Fuca and Harro Straits, high retention unweathered dilbit sediments are more common. / Graduate / 2018-06-26

Heteroestruturas digitais magnéticas (DMHs) são estruturas semicondutoras em que a distribuição de impurezas magnéticas (Mn) restringe-se a alguns arranjos bidimensionais (monocamadas) regularmente espaçados entre si. Na presença de um campo magnético, a interação de troca sp-d entre os momentos magnéticos localizados e os portadores itinerantes é responsável por um desdobramento de spin gigante, da ordem ou até superior que a separação cíclotron dos níveis de Landau. Aqui eu calculo a estrutura eletrônica de poços quânticos digitais magnéticos do grupo II-VI. Resolvo as equações de Kohn-Sham da teoria do funcional da densidade dependente de spin na aproximação de massa efetiva. Eu então calculo diversas propriedades magnetoópticas e de transporte relevantes experimentalmente. Em particular, eu investigo a física dependente de spin presente nestes sistemas sob dois diferentes pontos de vista. Primeiramente o enfoque é no efeito do magnetismo do Mn sobre o potencial dependente de spin da interação de troca sp-d, em particular nos efeitos da aglomeração antiferromagnética e da diluição do seu perfil de concentração (segregação e interdifusão). Ao considerar estes efeitos eu reproduzo resultados experimentais para desdobramento de spin $Delta_E$ e tempos de espalhamento de spin $tau_$ [S. A. Crooker et al., Phys. Rev. Lett. 75, 505 (1995); Phys. Rev. B 61, 1736 (2000)]. Na segunda parte eu mudo o enfoque para a física de gases de elétrons bidimensionais (2DEGs) altamente polarizados e mostro a importância da forte dependência de spin das contribuições de muitos corpos (troca e correlação) presentes nestes sistemas. Em particular, estes efeitos são relevantes para o surgimento de fases de ferromagnetismo de efeito Hall quântico. Eu calculo o magnetotransporte no regime de efeito Hall quântico para DMHs baseadas em ZnSe e CdTe. Meus resultados reproduzem resultados experimentais [R. Knobel et al., Phys. Rev. B 65, 235327 (2002); J. Jaroszynski et al., Phys. Rev. Lett. 89, 266802 (2002)] para a dependência com o campo magnético, com a temperatura, o aparecimento de picos anômalos e o surgimento de curvas de histerese em várias propriedades físicas. / Digital magnetic heterostructures (DMHs) are semiconductor structures with magnetic impurities (Mn) restricted to some planar arrangements (monolayers) regularly spaced. In the presence of an external magnetic field, the sp-d exchange interaction between the localized magnetic moments and the itinerant carriers is responsible for a giant spin splitting, of the order of, or even greater than, the cyclotron separation between Landau levels. Here I calculate the electronic structure of group II-VI digital magnetic quantum wells. I solve the Kohn-Sham equations of the spin-density functional theory within the effective mass approximation. Then I calculate some magneto-optical and transport properties which are experimentally relevant. In particular, I investigate the spin dependent physics of these systems from two different points of view. First, I focus on effects of the Mn magnetism on the sp-d exchange spin dependent potential, particularly the effect of antiferromagnetic clustering and the effect of dilution (segregation and interdiusion) of the Mn content prole. By considering these effects I reproduce experimental results for the spin splitting $Delta_E$ and spin scattering times $tau_$ [S. A. Crooker et al., Phys. Rev. Lett. 75, 505 (1995); Phys. Rev. B 61, 1736 (2000)]. In the second part I move on to the physics of spin-polarized two-dimensional electron gases (2DEGs), and show the relevance of the strong dependence of the many-body contributions (exchange and correlation) with the spin polarization. In particular, these effects are relevant for the development of quantum Hall ferromagnetic phases. I calculate magneto- transport in the quantum Hall eect regime for DMHs consisting of ZnSe and CdTe. My results reproduce experimental results [R. Knobel et al., Phys. Rev. B 65, 235327 (2002); J. Jaroszynski et al., Phys. Rev. Lett. 89, 266802 (2002)] for the dependence with magnetic eld, temperature, development of anomalous resistivities spikes and hysteretic behaviors in many physical properties.

This diploma thesis studies magneto-optical (MO) response of epitaxial thin films of Co-doped ceria. Thin films were characterized by XPS, LEED, STM, spectroscopic ellipsometry and measurement of MO activity. The work focuses on studying MO response of the films depending on film thickness, cobalt concentration, oxidation state of cerium and chemical state of cobalt. Spectra of MO response consist of low energy region where the MO activity is mediated by transitions from defect induced states to conduction band and high energy region where a peak of MO activity appears which we attribute to transitions from valence band to conduction band. In this work we qualitatively explain the effects of the physico- chemical states of the thin films on the structure of the obtained MO spectra, mainly on the appearance of the MO activity in the low energy region, and on the changes of the position of the MO peak. Compared to other preparation methods the epitaxial thin films allow achieving a shift of the MO peak in the direction of higher photon energy.

This diploma thesis studies magneto-optical (MO) response of epitaxial thin films of Co-doped ceria. Thin films were characterized by XPS, LEED, STM, spectroscopic ellipsometry and measurement of MO activity. The work focuses on studying MO response of the films depending on film thickness, cobalt concentration, oxidation state of cerium and chemical state of cobalt. Spectra of MO response consist of low energy region where the MO activity is mediated by transitions from defect induced states to conduction band and high energy region where a peak of MO activity appears which we attribute to transitions from valence band to conduction band. In this work we qualitatively explain the effects of the physico- chemical states of the thin films on the structure of the obtained MO spectra, mainly on the appearance of the MO activity in the low energy region, and on the changes of the position of the MO peak. Compared to other preparation methods the epitaxial thin films allow achieving a shift of the MO peak in the direction of higher photon energy.

Neste trabalho de doutorado utilizou-se um reator anaeróbio em batelada seqüencial contendo biomassa imobilizada em matrizes cúbicas de espuma de poliuretano e agitação mecânica, com volume total de 5.5 L e volume útil de 4.5 L. A agitação do meio líquido foi realizada com quatro tipos de impelidores (turbina tipo hélice, lâminas planas, lâminas planas inclinadas e lâminas curvas, testados individualmente, sempre em número de 3), com 6 cm de diâmetro. A pesquisa foi realizada em quatro etapas experimentais. A etapa 1 objetivou determinar o tempo de mistura no reator para cada tipo de impelidor, ou seja, o tempo necessário para que o meio líquido ficasse totalmente homogêneo. A etapa 2 objetivou selecionar o tipo de impelidor e a respectiva intensidade de agitação que garantisse a minimização da resistência à transferência de massa externa no sistema. As intensidades de agitação testadas variaram de 200 a 1100 rpm, dependendo do tipo de impelidor. A etapa 3 foi realizada com tipo de impelidor e intensidade de agitação definidos na etapa 2, mas variando-se o tamanho da biopartícula (0,5, 1,0, 2,0 e 3,0 cm de aresta). O objetivo desta etapa foi selecionar o tamanho de biopartícula que minimizasse a resistência à transferência de massa interna. De posse das condições operacionais otimizadas (tipo de impelidor, intensidade de agitação e tamanho de partícula de suporte), a etapa 4 constituiu na aplicação das mesmas para o tratamento de um resíduo real, sendo escolhida água residuária de suinocultura. Na etapa 1, os resultados mostraram que os tempos de mistura para todos os tipos de impelidores foram desprezíveis em relação ao tempo total de ciclo. A etapa 2 revelou tempos de partida muito curtos (cerca de 20 dias), em todas as condições testadas, sendo atingidas remoções de DQO próximas de 70%. Além disso, o tipo de impelidor exerceu grande influência na qualidade final do efluente, fato este claramente constatado quando as frações de DQO foram consideradas separadamente (filtrada e suspensa). De acordo com os resultados obtidos na etapa 3, o tamanho da biopartícula teve influência decisiva no desempenho do sistema, nas condições testadas. As velocidades de dissolução foram aparentemente influenciadas pelo empacotamento do leito de espuma, enquanto que o consumo da fração de DQO correspondente às amostras filtradas foi provavelmente influenciado por fatores mais complexos. Finalmente, o teste realizado com resíduo diluído de suinocultura demonstrou que a operação do reator em estudo para o tratamento deste tipo de água residuária é possível. Os dados operacionais mostraram que o reator permaneceu estável durante o período testado. A agitação mecânica provou ser eficiente para melhorar a degradação da DQO suspensa, um dos maiores problemas no tratamento deste tipo de água residuária. Sendo assim, de acordo com os dados experimentais obtidos ao longo do trabalho, pode-se afirmar que a agitação em reatores em batelada mostrou-se importante não somente para proporcionar boas condições de mistura ou melhorar a transferência de massa na fase líquida, mas também para melhorar a solubilização da matéria orgânica particulada, melhorando as velocidades de consumo de matéria orgânica. / The bench-scale anaerobic sequencing batch reactor containing immobilized biomass and provided with mechanical stirring employed in this work had total and useful volumes of 5.5 and 4.5 L, respectively. The biomass was immobilized on cubic polyurethane foam matrices, and the agitation of the liquid medium was provided by four types of impellers (propeller, flat-blade, pitched-blade and curved-blade turbines, individually tested, always in a set of three), with 6 cm of diameter. The research was divided into 4 experimental steps. The first one aimed at determining the mixing time in the reactor for each sort of impeller, i.e., the time necessary for the system to be completely homogeneized. As for the second step, its objective was to choose the sort of impeller and the agitation rate suitable for minimizing the external mass-transfer resistance. The agitation rates tests ranged from 200 to 1100 rpm, depending on the impeller type. The step 3 was carried out utilizing the chosen impeller and agitation rate, but varying the bioparticle size (0.5, 1.0, 2.0 and 3.0 cm of side). The aim of these experiments was to determine the bioparticle size that minimized the solid-phase mass transfer. Using these optimized operational conditions (type of impeller and bioparticle size), the step 4 consisted of the utilization of them in the treatment of a real wastewater (diluted swine manure). As for the results, step 1 showed the mixing times were very low compared to the total cycle times employed in the experiments (8 and 24 h). Very short start-up periods were revealed by the second experimental part (about 20 days in average) for all conditions tested, and the removal efficiencies reached approximately 70%. Besides that, the impeller type exerted great influence on the final quality of the effluent, fact clearly observed when the COD fractions were analyzed separately (filtered and suspended). According to the data obtained in the step 3, the bioparticle size influenced decisively on the performance of the system, in the conditions tested. The bed packing apparently influenced the dissolution rates, whereas the consumption of the COD correspondent to the filtered samples was defined by more complex factors. Finally, the test with the diluted swine manure demonstrated that the operation of this reactor with this type of wastewater is feasible, as the operational data showed the reactor remained stable during all the period tested. The mechanical stirring proved to be efficient to improve the degradation of the suspended COD, one of the major problems in the treatment of this type of wastewater. In this sense, according to the experimental data obtained in this work, it can be affirmed the mechanical stirring in anaerobic sequencing batch reactors showed to be not only important to provide good mixing conditions and improve the liquid phase mass transfer, but also to improve the solubilization of the particulate organic matter and increase the overall organic matter consumption rates.