Desde sua descoberta por S. Iijima em 1991, os nanotubos de carbono têm sido considerados um dos materiais nanoestruturados mais promissores para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos em escala nanoscópica. Devido _a sua alta razão entre a área superficial e o volume, esse material se destaca para aplicações como sensores de gás. No presente trabalho, estudamos através de simulações computacionais, a possibilidade de nanotubos de carbono com defeitos de nitrogênio (os chamados nanotubos CNx), poderem ser usados como sensores de moléculas gasosas. Na primeira parte do trabalho foram realizados cálculos de estrutura eletrônica baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) para diferentes sistemas formados pelo nanotubo e pela molécula. Através de cálculos de energia de ligação, foi possível identificar quais gases poderiam ou não serem adsorvidos à superfície do nanotubo. Dentre as moléculas investigadas, o monóxido de carbono e a amônia mostraram ser as mais facilmente adsorvidas ao nanotubo. Na segunda parte, foram realizados cálculos das propriedades de transporte utilizando o formalismo das funções de Green fora do equilíbrio (NEGF) recursivo. Foi possível concluir que os nanotubos estudados poderiam ser usados para detectar o monóxido de carbono e a amônia. Todavia, em relação à seletividade, os resultados indicaram que não parece possível distinguir essas duas moléculas, caso o sistema fosse inserido em um ambiente contendo uma mistura desses gases. Ainda, foram feitas simulações de nanotubos contendo defeitos aleatoriamente distribuídos, de forma a levar em conta os fatores de desordem característicos de sistemas mais realistas. / Since their discovery by S. Iijima in 1991, carbon nanotubes have been considered as one of the most promising nanostructured materials for the development of new nanoscopic electronic devices. Due to its high surface area to volume ratio, this material stands out as a candidate for possible gas sensoring applications. In this thesis, we have studied, by means of computational simulations, the possibility of using carbon nanotubes containing nitrogen defects (the so-called CNx nanotubes) as gas sensors. In the first part, we have performed electronic structure calculations based on Density Functional Theory (DFT) of several systems to address the possible binding of different molecules to the nanotube surface. Our results indicate that, among the molecules which were investigated, carbon monoxide and ammonia adsorb more easily to the nanotube surface. In the second part of this thesis, we have performed calculations of the transport properties by means of non-equilibrium Green\'s function formalism (NEGF). The results have shown that the nitrogen-defect carbon nanotubes could be used to detect, mainly carbon monoxide and ammonia molecules. On the other hand, when dealing with the selectivity of this system, it seems to be not possible to distinguish these gases, in the case of inserting the system in a environment containing a mixture of these molecules. Finally, we have simulated carbon nanotubes with defects randomly distributed along its length, in order to take into account disordering factors usually found in more realistic nanosensors.

Neste trabalho, estudamos a influência de canais de espalhamento inelástico no transporte eletrônico. Primeiramente, expomos o formalismo de Landauer usual para o cálculo da corrente elétrica em sistemas em que o espalhamento é puramente elástico. Como exemplo, calculamos a corrente para um potencial delta de Dirac a partir de suas probabilidades de transmissão. A amostra correspondente é aquela de uma camada muito fina com impurezas (não-magnéticas) contida em uma heterostrutura semicondutora. Mostramos que a distorção do potencial quântico devido à voltagem aplicada pode ser desprezada no cálculo da corrente elétrica, abaixo da energia de Fermi do emissor. Subsequentemente, acoplamos o potencial delta a um oscilador harmônico quântico para modelar a presença de fônons no sistema. Encontramos modos inelásticos de transmissão que se tornam acessíveis para energias cada vez maiores, múltiplas do quantum hω. Devido à conservação de probabilidade, a abertura de cada novo canal corresponde a bicos\" nas probabilidades de transmissão dos modos abaixo deste, em função da energia de incidência do elétron. No caso de uma delta atrativa, ressonâncias assimétricas com perfil de Fano são observadas. Adaptamos o formalismo de Landauer, incluindo canais inelásticos independentes. Seguindo um trabalho anterior de Emberly e Kirczenow (2000), mostramos que existe uma forma de se levar em conta possíveis coincidências nos estados de espalhamento finais aplicando o princípio de exclusão de Pauli. Isto leva as distribuições dos estados de espalhamento a estarem fora de equilíbrio, já que dependem umas das outras. Resolvendo o problema auto-consistentemente, somos capazes de obter a corrente elétrica a partir das probabilidades de transmissão do potencial quântico. Nossos resultados demonstram que as ressonâncias de Fano do potencial atrativo dão origem a uma diminuição da inclinação da corrente elétrica contra a voltagem aplicada, já que elétrons são presos\" ao potencial por um tempo infinito. Mostramos este efeito num regime de voltagens baixas em comparação com a energia de Fermi, para o qual desprezamos a distorção do potencial quântico devido à voltagem aplicada. Além disso, uma comparação com os resultados do formalismo de Landauer mostra que uma discrepância significativa é observada para o caso de o oscilador estar inicialmente excitado e fortemente acoplado ao elétron. / In this work, we study the influence of inelastic scattering channels in electronic transport. We first present the usual Landauer formalism, for calculating the electric current in systems where the scattering is purely elastic. As an example, we calculate the current for a Dirac delta potential from its transmission probabilities. The corresponding sample is that of a very thin layer with (non-magnetic) impurities within a semiconductor heterostructure. We show that the distortion of the quantum potential due to the applied voltage can be ignored in the calculation of an electric current below the Fermi energy of the emitter. Then we couple the delta potential to a quantum harmonic oscillator to model the presence of phonons in the system. We find inelastic transmission modes that become available for increasing energies, multiple of the quantum hω. Due to conservation of probability, the opening of each new channel corresponds to kinks\" in the transmission probabilities of lower modes as a function of the energy of the impinging electrons. In the case of an attractive delta potential, asymmetric resonances with a Fano-like profile are observed. We adapt the Landauer formalism by including the independent inelastic channels. Following a previous work by Emberly and Kirczenow (2000), we show that there is a way to take into account the possible coincidences in the final scattering states using Pauli\'s exclusion principle. This causes the distributions of the scattering states to be out of equilibrium, as they depend on each other. Solving the problem self-consistently, we are able to obtain the electric current from the transmission probabilities of the quantum potential. Our results demonstrate that the Fano resonances of the attractive potential gives rise to a decrease of the slope in the electric current versus the applied voltage, as the electrons are trapped\" in the potential for a finite amount of time. We have shown this effect in a low voltage regime with respect to the Fermi energy, for which we ignore the distortion of the quantum potential due to the applied voltage. Furthermore, a comparison with the results from the Landauer formalism shows that a significant discrepancy is seen for the oscillator initially in its excited mode and strongly coupled to the electron.

Os biossensores são dispositivos empregados para a detecção de um analito específico, podendo assim ser no controle de qualidade nos alimentos para determinar a presença de micro-organismos, toxinas ou metabólitos. O presente estudo objetiva desenvolver um biossensor condutométrico, baseado na imobilização de peroxidasse em membranas de quitosana e quitosana com nanopartículas de ouro (AuNP) para a detecção de peroxido de hidrogênio. O trabalho foi dividido em três etapas. Na primeira etapa foi estudada a obtenção de AuNP empregando agentes redutores biológicos, sendo avaliados três monossacarídeos (glicose, frutose e galactose), três dissacarídeos (sacarose, maltose e lactose), dois biopolímeros (amido e quitosana), assim como os extratos obtidos a partir das folhas de hortelã (Mentha piperita) e cascas de furtas de abacaxi (Ananas comosus), banana (Musa sp. ), maracujá (Passiflora edulis), tangerina (Citrus reticulata). A quitosana mostrou-se como o melhor agente redutor na síntese das AuNP, as quais foram empregadas na segunda etapa para a produção de membranas. Três tipos de membranas foram processadas, membranas de quitosana sem AuNP e membranas de quitosana com AuNP com concentrações de 8 e 11mM., as quais foram caraterizadas morfológica e eletricamente. Finalmente foi avaliada a imobilização da peroxidasse usando quatro tratamentos diferentes, sendo a dispersão da peroxidasse nas soluções filmogênicas precursoras das membranas a mais eficiente. A resposta elétrica destas membranas é dependente da concentração de AuNP e da presença de enzimas, e também foi alterada quando as mesmas foram expostas a soluções de tampão fosfato com diferentes concentrações de peroxido de hidrogênio. Isto constitui o principio de operação dos biossensores condutométricos desenvolvidos neste trabalho. / Biosensors are devices used for detecting a specific analyte, and thus can be used in quality control of food for determining the presence of micro-organisms, toxins or metabolites. The present study aims to develop a conductometric biosensor based on the immobilization of peroxidase in membranes of chitosan and chitosan with gold nanoparticles (AuNP) for the detection of hydrogen peroxide. The work was divided into three stages. In the first stage, methods for obtaining AuNP employing biological reducing agents were studied, evaluating three monosaccharides (glucose, fructose and galactose), three disaccharides (sucrose, maltose and lactose), two biopolymers (starch and chitosan), as well as the extracts obtained from the leaves of mint (Mentha piperita) and husks dost thou pineapple (Ananas comosus), banana (Musa sp), passion fruit (Passiflora edulis), mandarin (Citrus reticulata). Chitosan exhibited the best behavior as reducing agent for the synthesis of AuNP, which were employed in the second step for the production of membranes. Three types of membranes were processed, chitosan membranes without AuNP and chitosan membranes with AuNP with concentrations of 8 and 11mM, which were morphologically and electrically characterized. Finally the peroxidase immobilization was evaluated using four different procedures, being the dispersion of the peroxidase in filmogenic solutions precursor of membranes the more efficient. The electrical response of these membranes, depends on the AuNP concentration and the presence of enzymes, and was also altered when they were exposed to hydrogen peroxide containing phosphate buffer solutions. This constitutes the principle of operation of the conductometric biosensor developed in this work.

Esta tese é composta por duas partes. Na primeira parte, os efeitos da interação elétron-elétron nas configurações do estado fundamental de dois anéis quânticos acoplados (CQRs) são estudados. Os CQRs podem formar um novo tipo de molécula artificial, onde o raio dos anéis juntamente com a distância entre os anéis, são novos parâmetros ajustáveis que fornecem novos graus de liberdade para controlar a estrutura eletrônica destas moléculas. Através da bem estabelecida teoria do funcional densidade dependente de spin, as configurações ou fases do estado fundamental dos CQRs com alguns elétrons são determinadas. Uma rica variedade de fases para o estado fundamental destas novas moléculas artificiais é encontrada para sistemas contendo até N=13 elétrons. Para CQRs com N menor ou igual a 8 são obtidas qualitativamente configurações para o estado fundamental similares às dos pontos quânticos acoplados (CQDs). As novas configurações eletrônicas aparecem para N maior ou igual a 9. Na segunda parte desta tese é desenvolvido um método numérico para estudar o espalhamento eletrônico através de um ponto quântico com N-elétrons confinados. Considera-se que o ponto quântico está imerso num sistema bidimensional ou confinado em um canal unidimensional. As taxas de espalhamento são obtidas resolvendo iterativamente a equação de Lippmann-Schwinger incluindo a interação elétron-elétron entre o elétron incidente e os N-elétrons confinados dentro do QD. Para exemplificar, este método é aplicado para um elétron externamente injetado sobre um QD contendo um único elétron. As taxas de espalhamento elástico, inelástico e de spin-flip são obtidas. Os efeitos da interação de troca no espalhamento eletrônico e transporte através do QD são analisados.Também são considerados os processos do espalhamento multi-canal neste sistema e suas influências nas propriedades de transporte. / This thesis is composed of two parts. In the first part, we study the effects of electron-electron interactions on the ground state configurations of two vertically coupled quantum rings (CQRs). The CQRs can form a new type of artificial molecule (AM) where the ring radius together with the inter-ring distance are new tunable parameters providing new degrees of freedom to modulate and control the electronic structure of the artificial ring shaped molecules. In this work, we apply the well established spin-density functional theory to study the ground state configurations or phases of few-electron CQRs. A rich range of ground state phases of these new quantum ring AMs is uncovered for systems containing up to N = 13 electrons. For CQRs with N less or equal to 8 we found qualitatively similar ground state phases as for coupled quantum dots (CQDs). Novel phases appear for N greater or equal to 9. In the second part of this thesis, we develop a numerical method to study the electron scattering through an occupied quantum dot (QD) with a few electrons. The QD is considered embedded in a two-dimensional system or confined in a one-dimemsional channel. An external electron is injected and scattered through the QD. The scattering rates are obtained by solving iteratively the Lippmann-Schwinger equation including the electron-electron interactions between the incident electron and the N-electrons confined in the QD. As an example, we apply this model for an externally injected electron through a QD with one electron inside. The elastic, inelastic, and spin-flip scattering rates are obtained. The effects of electron exchange interaction on the electron scattering and transport through the QD are analyzed. We also show the multi-channel scattering processes in such systems and their influences on the electron transport properties.

As células eletroquímicas emissoras de luz (PLECs) pertencem a um novo ramo importante na optoeletrônica orgânica devido ao seu grande potencial para ser usado como ponto - pixels para telas coloridas e também para painéis de iluminação. Diferentemente de diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs), a tecnologia de OLECs ainda está em estágios iniciais de desenvolvimento, em comparação com a tecnologia de OLED , OLECs tem a vantagem de ser operado em ambas as polaridades de tensão ( para a frente ou de polarização reversa ), e, além disso, o seu desempenho é menos dependente dos materiais do eletrodos e a espessura da camada ativa do dispositivo. A camada ativa de um OLEC compreende uma mistura de um polímero eletroluminescente conjugado e um eletrólito de polímero. Consequentemente, o transporte elétrico durante a operação do dispositivo envolve uma combinação de dinâmica iônica e eletrônica e efeitos intrincados nas interfaces com os eletrodos. A literatura apresenta até agora duas abordagens diferentes para descrever o fenômeno de transporte nas OLECs. O modelo de eletrodinâmica, que combina separação iônica com o processo de difusão limitada eletrônica, e o modelo de dopagem eletroquímico que considera uma dopagem eletroquímica do polímero conjugado, dando a formação de uma junção p-i-n na camada ativa. Usando as medidas de decaimento da corrente sobre uma voltagem aplicada e espectroscopia de impedância /admissão , investigamos o transporte de portadores de carga em um OLEC tendo como camada ativa uma mistura de poli [ ( 9, 9 - dioctyl - 2, 7 - divinileno - fluorenileno ) - alt - co - { 2 - metoxi -5 - ( 2 - etil- hexiloxi ) -1,4 - fenileno } ] ( PFGE ) , com poli ( óxido de etileno ) ( PEO ) complexado com triflato de lítio ( TriLi ) , na proporção 01:01 : X , onde X foi de 0,10 , 0,05 , 0,01 , 0,00. Foram obtidos dados importantes relacionados com efeito iônico e eletrônico durante a operação deste PLEC, sendo que as medidas de transiente e de impedância mostraram que o movimento iônico auxilia o processo de injeção eletrônica. Outro fato relevante é que o desempenho da PLEC é dependente da formação da dupla camada iônica que tem sua espessura abaixo de 10 nm e que o processo de sua formação depende altamente da condução iônica, que por sua vez vai depender da quantidade de íons e de sua mobilidade, sendo influenciando por fatores como concentração de sal e temperatura do dispositivo. As medidas realizadas mostram que as PLECs com 2,5 e 5% de concentração de sal apresentam o melhor desempenho. / Organic Light-emitting Electrochemical Devices (OLECs) belong to a new important branch in organic optoelectronics due to their great potential to be used as dot-pixels for color displays and also to lighting panels. Differently from organic light-emitting diodes (OLEDs), the technology of OLECs is still in early stages of development. In comparison to OLED technology, OLECs have the advantage in being operated in both voltage polarities (forward or reverse bias), and, in addition, their performance is less dependent on the electrode materials and the device thickness. The active layer of an OLEC comprises a mixture of a conjugated electroluminescent polymer and a polymer electrolyte. Consequently, the electrical transport during the device operation involves a combination of ionic and electronic dynamics and intricate effects at the interfaces with the electrodes. The literature presents so far two different approaches to describe the transport phenomenon in the OLECs. The electrodynamic model, which combines ionic charge separation with electronic diffusionlimited process, and the electrochemical doping model that consider an electrochemical doping of the conjugated polymer, giving and the formation of a p-i-n junction in the active layer. Using current decay under an applied voltage measurements and impedance/admittance spectroscopy, we investigate charge carrier transport in an OLEC having as active layer a mixture of poly [(9, 9 - dioctyl - 2, 7 - divinileno - fluorenileno) - alt - co - {2 - methoxy -5 - (2 - ethyl-hexyloxy) -1,4 - phenylene}] (PFGE), with poly (ethylene oxide) (PEO) complexed with lithium triflate (TriLi), in the proportion 1:1:X, where X was 0.10, 0.05, 0.01, 0.00. We have obtained important results related to ionic and electronic effect during this operation PLEC. This measurements of transient current and impedance showed that ionic movement aids the process of electron injection. Another relevant fact is that the performance of PLEC is dependent on the formation of ionic double layer having thickness below 10 nm. The formation of this double layers is highly dependent on the ionic conduction, which in turn will depend on the amount of ions. The ionic mobility is influenced by factors such as salt concentration and temperature of the device. The measurements show that PLECS with 2.5 and 5% salt concentration had the best perform.

Two graphene layers placed in close proximity offer a unique system to investigate interacting electron physics as well as to test novel electronic device concepts. In this system, the interlayer spacing can be reduced to value much smaller than that achievable in semiconductor heterostructures, and the zero energy band-gap allows the realization of coupled hole-hole, electron-hole, and electron-electron two-dimensional systems in the same sample. Leveraging the fabrication technique and electron transport study in dual-gated graphene field-effect transistors, we realize independently contacted graphene double layers separated by an ultra-thin dielectric. We probe the resistance and density of each layer, and quantitatively explain their dependence on the backgate and interlayer bias. We experimentally measure the Coulomb drag between the two graphene layers for the first time, by flowing current in one layer and measuring the voltage drop in the opposite layer. The drag resistivity gauges the momentum transfer between the two layers, which, in turn, probes the interlayer electron-electron scattering rate. The temperature dependence of the Coulomb drag above temperatures of 50 K reveals that the ground state in each layer is a Fermi liquid. Below 50 K we observe mesoscopic fluctuations of the drag resistivity, as a result of the interplay between coherent intralayer transport and interlayer interaction. In addition, we develop a technique to directly measure the Fermi energy in an electron system as a function of carrier density using double layer structure. We demonstrate this method in the double layer graphene structure and probe the Fermi energy in graphene both at zero and in high magnetic fields. Last, we realize dual-gated bilayer graphene devices, where we investigate quantum Hall effects at zero energy as a function of transverse electric field and perpendicular magnetic field. Here we observe a development of v = 0 quantum Hall state at large electric fields and in high magnetic fields, which is explained by broken spin and valley spin symmetry in the zero energy Landau levels. / text

The aim of the study presented in this thesis is to explore the electrical and physical properties of films of tin and lead clusters. Understanding the novel conductance properties of cluster films and related phenomenon such as coalescence is important to fabricate any cluster based devices. Coalescence is an important phenomenon in metallic cluster films. Due to coalescence the morphology of the films changes with time which changes their properties and could lead to failure in cluster devices. Coalescence is studied in Sn and Pb cluster films deposited on Si$_3$N$_4$ surfaces using Ultra High Vacuum (UHV) cluster deposition system. The conductance of the overall film is linked to the conductance of the individual necks between clusters by simulations. It is observed that the coalescence process in Sn and Pb films follows a power law in time with an exponent smaller than reported in literature. These results are substantiated by the results from previous experimental and Kinetic Monte Carlo (KMC) simulation studies at UC. Percolating films of Sn show unique conductance properties. These films are characterized using various electrode configurations, applied voltages and temperatures. The conductance measurements are performed by depositing clusters on prefabricated gold electrodes on top of Si$_3$N$_4$ substrates. Sn cluster films exhibit a variety of conductance behaviours during and after the end of deposition. It is observed that the evolution of conductance during the onsets at percolation threshold is dependent on the film morphology. Samples showing difference responses in onset also behave differently after the end of deposition. Therefore all samples were categorized according to their onset behaviour. After the end of deposition, when a bias voltage is applied, the conductance of Sn films steps up and down between various well-defined conductance levels. It is also observed that in many cases the conductance levels between which these devices jump are close to integral multiples of the conductance quantum. There are many possible explanations for the steps in conductance. One of the explanations is formation and breaking of conducting paths in the cluster films by electric field induced evaporation and electromigration respectively. The stepping behaviour is similar to that in non-volatile memory devices and hence very interesting to explore due to potential applications.

In dieser Arbeit werden Resultate elektronischer Transportmessungen von supraleitenden Eisenpniktiden und ferromagnetischen Heusler-Verbindungen diskutiert. Die Eisenpniktide sind eine neuartige Klassen von Hochtemperatursupraleitern, deren Eigenschaften sich aus einem Zusammenspiel von Supraleitung und Magnetismus ergeben. Während die sogenannten 122-Pniktide Antiferromagnetismus aufweisen und unter Dotierung in einen supraleitenden Zustand übergehen, konnte in dotiertem LiFeAs Ferromagnetismus beobachtet werden. Undotiert hingegen zeigt dieses Material interessante supraleitende Eigenschaften. Die Heusler-Verbindungen sind u.a. durch ihren Ferromagnetismus bekannt. Das hier untersuchte Co2FeSi ist einer der stärksten Ferromagnete. Der in diesem Material vorhergesagte vollständig spinpolarisierte elektronische Transport, d.h. alle Leitungselektronen besitzen den gleichen Spin, konnte nachgewiesen werden. Die hier genannten Eigenschaften können exzellent mit der Methode der elektronischen Transportmessungen untersucht werden. Deren Ergebnisse aus Messungen an Einkristallen werden in dieser Arbeit diskutiert. / In this work, results of electronic transport measurements are discussed for superconducting iron pnictides as well as for ferromagnetic Heusler compounds. The iron pnictides are a recently discovered class of high temperature superconductors where magnetism might play a crucial role. While the 122-pnictides show antiferromagnetism and migrate to the superconducting state upon doping, ferromagnetism has been observed in doped LiFeAs. On the other hand, in the undoped state this material shows interesting superconducting properties. Among other propierties, Heusler compounds are well known due to their ferromagnetism. Co2FeSi, which was investigated in this work, is one of the strongest ferromagnets. Beside this, one predicts this compound to be a half-metallic ferromagnet with completely spin polarized electronic transport where all conducting electrons have the same spin. The here addressed properties can well be investigated with the method of electronic transport measurements, whose results on single crystals are discussed in this work.

Submitted by ERNANE DE FREITAS MARTINS (ernanefmg@hotmail.com) on 2018-06-21T18:31:22Z No. of bitstreams: 1 Tese_Ernane_FINAL.pdf: 73762259 bytes, checksum: 783c569159077630257fc1df333452da (MD5) / Approved for entry into archive by Hellen Sayuri Sato null (hellen@ift.unesp.br) on 2018-06-22T17:57:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 martins_ef_dr_ift.pdf: 73762259 bytes, checksum: 783c569159077630257fc1df333452da (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-22T17:57:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 martins_ef_dr_ift.pdf: 73762259 bytes, checksum: 783c569159077630257fc1df333452da (MD5) Previous issue date: 2018-06-04 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Nanotechnology is an important and very active area of research contributing to many different fields. The development of new devices applied to personalized medicine is one of its applications. When we desire to develop new devices many effort are done, including experimental and theoretical investigations. The theoretical/computational physics can enormously contribute to this area, since the simulations can reveal the working mechanism in these systems being possible to understand and propose new devices with improved performance. We present an extensive theoretical investigation of the electronic transport properties of graphene-based devices for DNA sensing. We have used a hybrid methodology which combines quantum mechanics and molecular mechanics, the so called QM/MM method, coupled to electronic transport calculations using non-equilibrium Green’s functions. First, we studied graphene in solution in order to understand the effects of polarization on the electronic and transport properties under different salt concentrations. We also stud- ied graphene with Stone-Wales defect in pure water. For these systems we tested a simple polarization model based on rigid rods. Our analysis were also done over different QM/MM partitions including explicit water molecules in the quantum part. Our results showed that the inclusion of the solvent in the electronic transport calculations for graphene decreases the total transmission, showing the important role played by the water. Our results also showed that the electronic transport properties of graphene do not suffer significant changes as we increase the salt concentration in the solution. The inclusion of polarization effects in graphene, despite changing the structuring of water molecules that make up the first solvation shell of graphene, do not significantly affect the electronic transport through graphene. We then studied DNA sequencing devices. First we focused on sequencing using a nanopore between topological line defects in graphene. Our results showed that sequencing DNA with high selectivity and sensitivity using these devices appears possible. We also address nanogap in graphene. For this we looked at the effects of water on electronic transport by using different setups for the QM/MM partition. We showed that the inclusion of water molecules in the quantum part increases the electronic transmission in several orders of magnitude, also showing the fundamental role played by water in tunneling devices. The electronic transport simulations showed that the proposed device has the potential to be used in DNA sequencing, presenting high selectivity and sensitivity. We propose an graphene-based biochip for sequence-specific detection of DNA strands. The main idea of this sort of device is to detect hybridization of single-stranded DNA, forming double-stranded DNA. We showed that the vertical DNA adsorption, either through an anchor molecule (pyrene) or using the nucleotide itself as anchor, do not present good results for detection, since the signals for the single and double strands are quite similar. For the case of horizontal DNA adsorption on graphene our results indicated that the two signals can be distinguishable, showing promising potential for sensitivity and selectivity. / Nanotecnologia é uma importante e muito ativa área de pesquisa contribuindo para muitos campos diferentes. O desenvolvimento de novos dispositivos aplicados à medicina personalizada é uma de suas aplicações. Quando desejamos desenvolver novos dispositivos muitos esforços são feitos, incluindo investigações experimentais e teóricas. A Física teórica/computacional pode contribuir enormemente com esta área, já que simulações podem revelar o mecanismo de funcionamento nesses sistemas tornando possível entender e propor novos dispositivos com desempenho melhorado. Nós apresentamos uma extensa investigação teórica das propriedades de transporte eletrônico de dispositivos baseados em grafeno para sensoriamento de DNA. Utilizamos uma metodologia híbrida que combina mecânica quântica e mecânica molecular, o chamado método QM/MM, acoplado a cálculos de transporte eletrônico utilizando funções de Green fora do equilíbrio. Primeiramente nós estudamos grafeno em solução de modo a entender os efeitos de polarização nas propriedades eletrônica e de transporte em diferentes concentrações de sal. Também estudamos grafeno com defeito Stone-Wales em água pura. Para esses sistemas, testamos um modelo de polarização simples baseado em bastões rígidos. Nossas análises também foram feitas em diferentes partições QM/MM incluindo moléculas de água explícitas na parte quântica. Nossos resultados mostraram que a inclusão do solvente nos cálculos de transporte eletrônico para o grafeno diminui a transmissão total, mostrando o papel fundamento desempenhado pelo água. Nossos resultados também mostraram que as propriedades de transporte eletrônico do grafeno não sofrem mudanças significativas na medida em que aumentamos a concentração de sal na solução. A inclusão de efeitos de polarização em grafeno, apesar de mudar a estruturação das moléculas de água que compõem a primeira camada de solvatação do grafeno, não afeta significativamente o transporte eletrônico através do grafeno. Nós, então, estudamos dispositivos para sequenciamento de DNA. Focamos primeira- mente no sequenciamento usando nanoporo entre defeitos de linha topológicos no grafeno. Nossos resultados mostraram que o sequenciamento de DNA com alta seletividade e sensitividade usando esses dispositivos se mostra possível. Nós também abordamos nanogap em grafeno. Para tal, avaliamos os efeitos da água no transporte eletrônico utilizando diferentes configurações para a partição QM/MM. Mostramos que a inclusão de moléculas de água na parte quântica aumenta a transmissão eletrônica em várias ordens de grandeza, também mostrando o papel fundamental desempenhado pela água em dispositivos de tunelamento. As simulações de transporte eletrônico mostraram que o dispositivo proposto tem o potencial de ser usado em sequenciamento de DNA, apresentando alta seletividade e sensitividade. Propusemos um biochip baseado em grafeno para detecção de sequências específicas de fitas de DNA. A ideia principal desta classe de dispositivos é detectar a hibridização da fita simples de DNA, formando a fita dupla de DNA. Mostramos que a adsorção vertical de DNA, seja utilizando uma molécula âncora (pireno) ou utilizando o próprio nucleotídio como âncora, não apresenta bons resultados para detecção, já que os sinais para as fitas simples e dupla são bem próximos. Para o caso da adsorção horizontal de DNA em grafeno nossos resultados indicaram que os dois sinais podem ser distinguíveis, mostrando potencial promissor para sensitividade e seletividade.

Desde sua descoberta por S. Iijima em 1991, os nanotubos de carbono têm sido considerados um dos materiais nanoestruturados mais promissores para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos em escala nanoscópica. Devido _a sua alta razão entre a área superficial e o volume, esse material se destaca para aplicações como sensores de gás. No presente trabalho, estudamos através de simulações computacionais, a possibilidade de nanotubos de carbono com defeitos de nitrogênio (os chamados nanotubos CNx), poderem ser usados como sensores de moléculas gasosas. Na primeira parte do trabalho foram realizados cálculos de estrutura eletrônica baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) para diferentes sistemas formados pelo nanotubo e pela molécula. Através de cálculos de energia de ligação, foi possível identificar quais gases poderiam ou não serem adsorvidos à superfície do nanotubo. Dentre as moléculas investigadas, o monóxido de carbono e a amônia mostraram ser as mais facilmente adsorvidas ao nanotubo. Na segunda parte, foram realizados cálculos das propriedades de transporte utilizando o formalismo das funções de Green fora do equilíbrio (NEGF) recursivo. Foi possível concluir que os nanotubos estudados poderiam ser usados para detectar o monóxido de carbono e a amônia. Todavia, em relação à seletividade, os resultados indicaram que não parece possível distinguir essas duas moléculas, caso o sistema fosse inserido em um ambiente contendo uma mistura desses gases. Ainda, foram feitas simulações de nanotubos contendo defeitos aleatoriamente distribuídos, de forma a levar em conta os fatores de desordem característicos de sistemas mais realistas. / Since their discovery by S. Iijima in 1991, carbon nanotubes have been considered as one of the most promising nanostructured materials for the development of new nanoscopic electronic devices. Due to its high surface area to volume ratio, this material stands out as a candidate for possible gas sensoring applications. In this thesis, we have studied, by means of computational simulations, the possibility of using carbon nanotubes containing nitrogen defects (the so-called CNx nanotubes) as gas sensors. In the first part, we have performed electronic structure calculations based on Density Functional Theory (DFT) of several systems to address the possible binding of different molecules to the nanotube surface. Our results indicate that, among the molecules which were investigated, carbon monoxide and ammonia adsorb more easily to the nanotube surface. In the second part of this thesis, we have performed calculations of the transport properties by means of non-equilibrium Green\'s function formalism (NEGF). The results have shown that the nitrogen-defect carbon nanotubes could be used to detect, mainly carbon monoxide and ammonia molecules. On the other hand, when dealing with the selectivity of this system, it seems to be not possible to distinguish these gases, in the case of inserting the system in a environment containing a mixture of these molecules. Finally, we have simulated carbon nanotubes with defects randomly distributed along its length, in order to take into account disordering factors usually found in more realistic nanosensors.