Absorção e Emissão de radiação eletromagnética por moléculas na região do UV-Vis fornece informações sobre os estados eletrônicos excitados, sendo propriedades de grande interesse devido a sua relação com processos biológicos, bem como suas possíveis aplicações em diagnósticos e tecnologia. Essas propriedades são sensíveis ao meio em que as moléculas se encontram, tornando-se assim natural a busca por métodos teóricos que possibilitam descrever essas interações. Neste trabalho, nós usamos a metodologia Sequential-Quantum Mechanics/Molecular Mechanics para estudar o espectro de absorção e de emissão de moléculas de relevância biológica, quando em solução. Simulações clássicas Monte Carlo foram usadas pra construir uma configuração eletrostática média do líquido para posterior cálculo das propriedades, feito através dos métodos multiconfiguracionais CASSCF e CASPT2. Cuidados especiais foram tomados para incluir a polarização eletrônica que o soluto sofre devido à presença do solvente. Nossa contribuição é a adaptação do método do Gradiente de Energia Livre para permitir a obtenção de geometrias de estados excitados do soluto em solução. A técnica foi implementada em um programa e aplicada com sucesso nos sistemas estudados. As perspectivas agora se abrem para a obtenção de intersecções cônicas em meio solvente, permitindo assim o estudo de decaimentos não-radiativos em sistemas solvatados. / Absorption and emission of electromagnetic radiation by molecules in the UV-Vis region yields information about the electronic excited states, being properties of great interest due its relation with biological process, as well as its possible applications in diagnostics and technology. These properties are sensible to the environment in which the molecules are, making natural the search for theoretical methods that describe these interactions. In this work, we have used the Sequential-Quantum Mechanics/Molecular Mechanics methodology to study the spectrum of absorption and emission of molecules of biological relevance, when in solution. Classical Monte Carlo simulations were carried out to construct an average solvent electrostatic configuration and used to represent the liquid in posterior quantum mechanics calculation of the properties, performed by using the multiconfigurational methods CASSCF and CASPT2. Special cares were taken to include the electronic polarization of the solute due the solvent. Our contribution is the adaptation of the Free Energy Gradient method to allow the determination of the solute excited states geometries in solution. The method was implemented in a computer program and successfully applied in the systems studied. The perspectives are now open to the calculation of conical intersection in solvent environment, enabling the study of nonradioactive decays in solvated systems.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2017-08-01T13:42:24Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) JDiogo_Tese Final_Quimica.pdf: 8861608 bytes, checksum: b9ce8a33624820a531c0a5c298600d94 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-01T13:42:24Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) JDiogo_Tese Final_Quimica.pdf: 8861608 bytes, checksum: b9ce8a33624820a531c0a5c298600d94 (MD5) Previous issue date: 2017-01-26 / CNPQ / Metodologias te´oricas s˜ao ´uteis para complementar investigac¸˜oes experimentais e guiar novos experimentos envolvendo compostos luminescentes de lantan´ıdeos. A ausˆencia de uma ferramenta computacional contendo tais m´etodos motivou o desenvolvimento do LUMPAC. Se por um lado o LUMPAC difundiu o uso dessas metodologias, por outro as suas limitac¸˜oes tamb´em foram evidenciadas. Nesse sentido, pˆode-se conhecer melhor quais m´etodos merecem uma atenc¸˜ao especial, a saber: c´alculo dos parˆametros de intensidade (Ωλ), c´alculo da energia dos estados excitados dos ligantes e c´alculo da taxa de emiss˜ao n˜ao-radiativa (Anrad). O objetivo geral do presente trabalho de doutoramento consiste em corrigir algumas dessas limitac¸˜oes. Quantoaoc´alculodosΩλ,conseguimosatenuaroproblemacomumanovaformadeajustedos fatores de carga e das polarizabilidades atrav´es de um procedimento que foi denominado de Modelo da UnicidadeQDC, o qual faz uso de um conjunto bastante reduzido de parˆametros (Q,D eC). A importˆancia do ajusteQDC ´e que todas as quantidades derivadas se tornam tamb´em ´unicas para uma dada geometria do complexo, incluindo um esquema proposto de partic¸˜ao qu´ımico da taxa de emiss˜ao radiativa (Arad) em termos dos efeitos dos ligantes. Para demonstrar uma das poss´ıveis aplicac¸˜oes dessa partic¸˜ao, foi considerado o caso de complexos tern´arios de Eu3+ de ligantes n˜ao-iˆonicos repetidos e com os ligantes betadicetonatos DBM, TTA e BTFA. A partic¸˜ao ordenou perfeitamente a combinac¸˜ao n˜ao ´obvia de pares de ligantes n˜ao-iˆonicos que levam aos compostos misturados com os maiores valores deAexp rad. Quanto ao c´alculo dos estados excitados dos ligantes, ´e proposta uma parametrizac¸˜ao do m´etodo CIS baseadonaaproximac¸˜aoNDDO,exclusivamenteparasistemaslantan´ıdicos. Al´emdisso,realizamosumestudoavaliativodemetodologiasTDDFTaplicadasaoc´alculodeestadosexcitados de ligantes em complexos de lantan´ıdeos. Dentre os funcionais e func¸˜oes de base avaliados, a combinac¸˜ao LC-ωPBE/6-31G(d) foi aquela que forneceu as energias tripleto mais concordantes com os dados obtidos na literatura, sendo o erro m´edio absoluto correspondente em torno de 1600 cm−1. Atrav´es da parametrizac¸˜ao do modelo NDDO-CIS implementado no programa ORCA foi poss´ıvel obter um modelo semiemp´ırico para o c´alculo da energia tripleto de complexosdelantan´ıdeocom qualidade bem superiora da melhormetodologiaTDDFT avaliada. / Theoretical methodologies are useful to complement experimental investigations, and to guide new experiments involving luminescent lanthanide compounds. The lack of a software containing these methods motivated us to the development of the user friendly software package LUMPAC. And indeed, LUMPAC is slowly popularising the use of these theoretical methodologies - methodologies that are being put to more frequent tests, and are, consequently, slowly revealing their limitations. In this sense, we identified which aspects of the methods would deserve a more special attention, namely: intensity parameters calculations (Ωλ), calculation of the excited state energies of the ligands, and the calculation of the non-radiative decay rate (Anrad). The overall objective of this doctoral work is to correct some of these limitations as wellastoadvancenewdevelopments. RegardingtheΩλ calculation,wemitigatedthisproblem with a new way to adjust the charge factors and polarizabilities through a procedure we called theQDC Uniqueness Model, which makes use of a fairly small set of adjustaeble parameters (Q,D, andC). The importance of theQDC adjustment is that all derived quantities become also unique for a given complex geometry, including the chemical partition of the radiative emission rate (Arad) in terms of the effects of the ligands, which is being advanced here. To demonstrate one of the possible applications of this chemical partition, we address the case of repeating non-ionic ligand ternary complexes of europium(III) with DBM, TTA, and BTFA. The chemical partition perfectly ordered the non-obvious combination of pairs of non-ionic ligands that led to the mixed ligand compounds with the highest values ofAexp rad . Regarding the calculation of the excited states of the ligands, a new parametrization of the CIS method based on the NDDO approximation is being proposed, exclusively for lanthanide complexes. In addition, we carried out a study to evaluate some TDDFT methodologies for the calculation of excited states of ligands in lanthanide complexes. Among the functionals and basis sets evaluated, the combination LC-ωPBE/6-31G(d) was the one that led to the lowest UME (unsigned mean error), of around 1600 cm−1, for the triplet energies in comparison with data from the literature. The parametrization of the NDDO-CIS model implemented into ORCA provided a semiempirical method for the triplet energy calculation of lanthanide complexes with better predictionpower thanthebestassessed TDDFT method.

Nesta tese de doutorado apresentamos os resultados de quatro tópicos referentes a estudos de propriedades elétricas que são interpretados com o auxílio da Teoria Quântica de Átomos em Moléculas (QTAIM). No primeiro deles, foram calculados momentos de dipolo e suas derivadas através de um novo formalismo de divisão de átomos em moléculas, baseado em campos de forças de Ehrenfest (CFE), sendo que estes dados são comparados com aqueles advindos da QTAIM. Desta forma, um modelo alternativo de partição em carga - fluxo de carga - fluxo de dipolo (CFCFD) é discutido para derivadas do momento dipolar. Os resultados gerais obtidos pelo formalismo CFE foram satisfatórios em termos quantitativos, embora QTAIM ainda fornece uma descrição mais apropriada destes fenômenos das polarizações atômicas e de suas variações durante vibrações. Na sequência, investigamos os Atratores Não Nucleares (NNAs), que são identificados através de uma análise QTAIM da densidade eletrônica. O nosso intuito foi descobrir novas moléculas que apresentam essa peculiaridade, bem como encontrar padrões entre os casos encontrados que permitam contribuir para o entendimento dos fatores que levam ao seu aparecimento. Para isso trabalhamos com moléculas diatômicas homonucleares de elementos representativos com números atômicos que variavam de Z=1 até Z=38 e moléculas heteronucleares formadas pela combinação dos mesmos. Os nossos dados mostram que NNAs podem ser encontrados em alguns pontos dentro da faixa de distâncias internucleares investigada para quase todos os sistemas diatômicos homonucleares, exceto para as moléculas de Hidrogênio, Hélio e Estrôncio. Por sua vez, encontramos trinta casos de NNAs em sistemas heteronucleares, muitos dos quais ainda inéditos na literatura. Descobrimos também que a polarizabilidade atômica aparentemente tem um papel importante na explicação dos casos encontrados. Tratamos também de moléculas contendo interações fracas como as de Van der Waals (moléculas tri-atômicas contendo um gás nobre ligado a um composto diatômico iônico) de modo a investigar os valores de dipolos atômicos QTAIM de uma maneira mais direta, ou seja, via comparação com um modelo simples para estes compostos. Por fim, estudamos moléculas em estados excitados, sendo que nossa análise focou em dois casos peculiares (CO e de CF2N2) que apresentam momento de dipolo nulo no estado fundamental, enquanto valores significativos desta propriedade são observados em seus primeiros estados excitados. Desta forma, QTAIM foi fundamental para compreender como o processo de excitação pode levar à mudanças tão significativas em tais propriedades elétricas. / In this PhD thesis we present the results of four different topics that refer to a study of electric properties interpreted with The Quantum Theory of Atoms and Molecules (QTAIM). First, dipole moments and their derivatives were calculated from a new formalism based on Ehrenfest Force Fields (EFF) and a comparison with data from QTAIM is carried out. Therefore, the Charge-Charge Flux-Dipole Flux (CCFDF) model was discussed for the dipole moment derivatives. The results from EFF were satisfactory in quantitative terms although QTAIM still seems to be better for the description of atomic polarization and its variations during vibrations. In the sequence, we investigated the Non-Nuclear Attractors (NNAs) that could be identified with the QTAIM formalism. Our intention was to discover new molecules that present this peculiarity, as well as to find trends among these cases that allow contributing for the understanding of the factors that lead to their appearance. For this purpose, we selected homonuclear diatomic molecules of elements presenting atomic numbers ranging from Z=1 to Z=38 and heteronuclear diatomic molecules containing these same elements. Our data shows that NNAs could be found in almost every homonuclear molecule expect by the systems formed by Hydrogen, Helium, and Strontium. On other hand, we have found 30 cases of NNAs in heteronuclear molecules, many of them seen for the first time. We also have noticed that the atomic polarizabilities play a main role in the understanding of these cases. We also treated molecules containing weak Van der Waals interactions (triatomic complexes presenting a noble gas bonded to a diatomic ionic molecule) in order to investigate the atomic dipole values obtained with QTAIM in a direct way, that is, by means of a comparison using a simple model for this kind of bonding. Finally, we studied molecules in excited states. Our focus was in two peculiar cases (CO and CF2N2), which present null dipole moments in their ground states but exhibit significant dipole moment values in their first excited states. Therefore, QTAIM was fundamental to understand how the excitation process can lead to important changes in electric properties.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta freqüência e/ou temperatura. Além disso, um filme de dióxido de silício (SiO2) pode ser crescido termicamente sobre o SiC de maneira análoga a sobre silício, permitindo que a tecnologia já existente para a fabricação de dispositivos utilizando Si possa ser adaptada para o caso do SiC. No entanto, filmes crescidos termicamente sobre SiC apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no SiO2/Si. Assim, compreender a origem e os parâmetros que afetam essa degradação elétrica é um importante passo para a tecnologia do SiC. A primeira parte deste trabalho teve como objetivo compreender o efeito de parâmetros de oxidação (pressão de oxigênio e tempo de oxidação) no crescimento térmico de filmes de dióxido de silício sobre substratos de carbeto de silício. As oxidações foram realizadas em ambiente rico em 18O2 e a influência na taxa de crescimento térmico dos filmes de Si18O2 e nas espessuras das regiões interfaciais formadas entre o filme dielétrico e o substrato foram investigadas utilizando análises por reação nuclear. Para correlacionar as modificações nas propriedades investigadas com as propriedades elétricas das amostras, estruturas metal-óxidosemicondutor foram fabricadas e levantamento de curvas corrente-voltagem e capacitânciavoltagem foi realizado. Com isso, pretendeu-se melhor compreender a origem da degradação elétrica gerada pela oxidação térmica no SiC. Observou-se que a taxa de crescimento térmico dos filmes de SiO2 depende de um parâmetro dado pelo produto do tempo de oxidação e da pressão de oxigênio, para as condições testadas. O deslocamento da tensão de banda plana com relação ao valor ideal mostrou-se igualmente dependente desse parâmetro, indicando que uma maior degradação elétrica na região interfacial SiO2/SiC ocorrerá conforme o filme fica mais espesso devido ao aumento dos parâmetros investigados. Não observaram-se modificações nas espessuras da região interfacial SiO2/SiC e na tensão de ruptura dielétrica dos filmes de SiO2 atribuídas aos parâmetros de oxidação testados. Na segunda parte deste trabalho, visando minimizar a degradação elétrica da região interfacial SiO2/SiC gerada pela oxidação térmica do SiC, propôs-se crescer termicamente, em uma condição mínima de oxidação, um filme muito fino e estequiométrico de SiO2, monitorado por espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios X. Para formar filmes mais espessos de SiO2 e poder fabricar estruturas MOS, depositaram-se filmes de SiO2 por sputtering. As espessuras e estequiometria dos filmes depositados foram determinadas por espectrometria de retroespalhamento Rutherford com ou sem canalização. As estruturas MOS em que o filme fino de SiO2 foi crescido termicamente antes da deposição apresentaram menor deslocamento da tensão de banda plana com relação ao valor ideal e maior tensão de ruptura dielétrica do que as amostras em que o filme foi apenas crescido termicamente ou apenas depositado, confirmando a minimização da degradação elétrica da região interfacial SiO2/SiC pela rota proposta. O efeito de um tratamento térmico em ambiente inerte de Ar nas estruturas também foi investigado. Observou-se uma degradação elétrica na região interfacial SiO2/SiC devido a esse tratamento. Análises por reação nuclear indicaram que o filme fino crescido termicamente não permaneceu estável durante o tratamento térmico, perdendo oxigênio para o ambiente gasoso e misturando os isótopos de oxigênio do filme crescido termicamente com o do filme depositado. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that requires high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si, allowing that technology already used to fabricate devices based on Si to be adapted to the SiC case. However, the oxide films thermally grown on SiC present higher density of electrical defects at the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si. Thus, the understanding of the origin and what parameters affect the electrical degradation is an important step to the SiC technology. The first part of this work aimed to understand the effect of oxidation parameters (oxygen pressure and oxidation time) in the thermal growth of silicon dioxide films on silicon carbide substrates. The oxidations were performed in an 18O2 rich ambient and the influence on the growth rate of the Si18O2 films and on the interfacial region thickness formed between the dielectric film and the substrate were investigated using nuclear reaction analyses. To correlate the modifications observed in these properties with modifications in the electrical properties, metal-oxide-semiconductors structures were fabricated and current-voltage and capacitancevoltage curves were obtained. The aim was to understand the origin of the electrical degradation due to the thermal oxidation of silicon carbide. It was observed that the growth rate of the Si18O2 films depends on the parameter given by the product of the oxygen pressure and the oxidation time, under the conditions tested. The flatband voltage shift with respect to the ideal value was also influenced by the same parameter, indicating that a larger electrical degradation in the SiO2/SiC interfacial region will occur as the film becomes thicker due to the increase of the values of the investigated parameters. No modifications were observed in the SiO2/SiC interfacial region thickness and in the dielectric breakdown voltage of the SiO2 films that could be attributed to the oxidation parameters tested. In the second part of this work, in order to minimize electrical degradation due to thermal oxidation of silicon carbide, a stoichiometric SiO2 film with minimal thickness was thermally grown, monitored by X-ray photoelectron spectroscopy. To obtain thicker films and to fabricate MOS structures, a SiO2 film was deposited by sputtering. The thicknesses and stoichiometries of the deposited films were determined by Rutherford backscattering spectrometry using or not the channeling geometry. The MOS structures in which a thin film was thermally grown before the deposition presented smaller flatband voltage shift and higher breakdown voltage when compared to SiO2 films only thermally grown or only deposited directly on SiC, confirming that the electrical degradation in the SiO2/SiC interfacial region was minimized using the proposed route. The effect of one thermal treatment in argon in the structures was also investigated. An electrical degradation in the SiO2/4H-SiC interface was observed. Nuclear reaction analyses indicated that the thin film thermally grown was not stable during the annealing, loosing O to the gaseous ambient and mixing O isotopes of the thermally grown film with those of the deposited film.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta freqüência e/ou temperatura. Além disso, um filme de dióxido de silício (SiO2) pode ser crescido termicamente sobre o SiC de maneira análoga a sobre silício, permitindo que a tecnologia já existente para a fabricação de dispositivos utilizando Si possa ser adaptada para o caso do SiC. No entanto, filmes crescidos termicamente sobre SiC apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no SiO2/Si. Assim, compreender a origem e os parâmetros que afetam essa degradação elétrica é um importante passo para a tecnologia do SiC. A primeira parte deste trabalho teve como objetivo compreender o efeito de parâmetros de oxidação (pressão de oxigênio e tempo de oxidação) no crescimento térmico de filmes de dióxido de silício sobre substratos de carbeto de silício. As oxidações foram realizadas em ambiente rico em 18O2 e a influência na taxa de crescimento térmico dos filmes de Si18O2 e nas espessuras das regiões interfaciais formadas entre o filme dielétrico e o substrato foram investigadas utilizando análises por reação nuclear. Para correlacionar as modificações nas propriedades investigadas com as propriedades elétricas das amostras, estruturas metal-óxidosemicondutor foram fabricadas e levantamento de curvas corrente-voltagem e capacitânciavoltagem foi realizado. Com isso, pretendeu-se melhor compreender a origem da degradação elétrica gerada pela oxidação térmica no SiC. Observou-se que a taxa de crescimento térmico dos filmes de SiO2 depende de um parâmetro dado pelo produto do tempo de oxidação e da pressão de oxigênio, para as condições testadas. O deslocamento da tensão de banda plana com relação ao valor ideal mostrou-se igualmente dependente desse parâmetro, indicando que uma maior degradação elétrica na região interfacial SiO2/SiC ocorrerá conforme o filme fica mais espesso devido ao aumento dos parâmetros investigados. Não observaram-se modificações nas espessuras da região interfacial SiO2/SiC e na tensão de ruptura dielétrica dos filmes de SiO2 atribuídas aos parâmetros de oxidação testados. Na segunda parte deste trabalho, visando minimizar a degradação elétrica da região interfacial SiO2/SiC gerada pela oxidação térmica do SiC, propôs-se crescer termicamente, em uma condição mínima de oxidação, um filme muito fino e estequiométrico de SiO2, monitorado por espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios X. Para formar filmes mais espessos de SiO2 e poder fabricar estruturas MOS, depositaram-se filmes de SiO2 por sputtering. As espessuras e estequiometria dos filmes depositados foram determinadas por espectrometria de retroespalhamento Rutherford com ou sem canalização. As estruturas MOS em que o filme fino de SiO2 foi crescido termicamente antes da deposição apresentaram menor deslocamento da tensão de banda plana com relação ao valor ideal e maior tensão de ruptura dielétrica do que as amostras em que o filme foi apenas crescido termicamente ou apenas depositado, confirmando a minimização da degradação elétrica da região interfacial SiO2/SiC pela rota proposta. O efeito de um tratamento térmico em ambiente inerte de Ar nas estruturas também foi investigado. Observou-se uma degradação elétrica na região interfacial SiO2/SiC devido a esse tratamento. Análises por reação nuclear indicaram que o filme fino crescido termicamente não permaneceu estável durante o tratamento térmico, perdendo oxigênio para o ambiente gasoso e misturando os isótopos de oxigênio do filme crescido termicamente com o do filme depositado. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that requires high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si, allowing that technology already used to fabricate devices based on Si to be adapted to the SiC case. However, the oxide films thermally grown on SiC present higher density of electrical defects at the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si. Thus, the understanding of the origin and what parameters affect the electrical degradation is an important step to the SiC technology. The first part of this work aimed to understand the effect of oxidation parameters (oxygen pressure and oxidation time) in the thermal growth of silicon dioxide films on silicon carbide substrates. The oxidations were performed in an 18O2 rich ambient and the influence on the growth rate of the Si18O2 films and on the interfacial region thickness formed between the dielectric film and the substrate were investigated using nuclear reaction analyses. To correlate the modifications observed in these properties with modifications in the electrical properties, metal-oxide-semiconductors structures were fabricated and current-voltage and capacitancevoltage curves were obtained. The aim was to understand the origin of the electrical degradation due to the thermal oxidation of silicon carbide. It was observed that the growth rate of the Si18O2 films depends on the parameter given by the product of the oxygen pressure and the oxidation time, under the conditions tested. The flatband voltage shift with respect to the ideal value was also influenced by the same parameter, indicating that a larger electrical degradation in the SiO2/SiC interfacial region will occur as the film becomes thicker due to the increase of the values of the investigated parameters. No modifications were observed in the SiO2/SiC interfacial region thickness and in the dielectric breakdown voltage of the SiO2 films that could be attributed to the oxidation parameters tested. In the second part of this work, in order to minimize electrical degradation due to thermal oxidation of silicon carbide, a stoichiometric SiO2 film with minimal thickness was thermally grown, monitored by X-ray photoelectron spectroscopy. To obtain thicker films and to fabricate MOS structures, a SiO2 film was deposited by sputtering. The thicknesses and stoichiometries of the deposited films were determined by Rutherford backscattering spectrometry using or not the channeling geometry. The MOS structures in which a thin film was thermally grown before the deposition presented smaller flatband voltage shift and higher breakdown voltage when compared to SiO2 films only thermally grown or only deposited directly on SiC, confirming that the electrical degradation in the SiO2/SiC interfacial region was minimized using the proposed route. The effect of one thermal treatment in argon in the structures was also investigated. An electrical degradation in the SiO2/4H-SiC interface was observed. Nuclear reaction analyses indicated that the thin film thermally grown was not stable during the annealing, loosing O to the gaseous ambient and mixing O isotopes of the thermally grown film with those of the deposited film.

Este trabalho foi dedicado à produção e caracterização de filmes nanoestruturados de ZnO, depositado pelo método CBD (Chemical Bath Deposition). Trata-se de um método atrativo por ser simples, de baixo custo, por permitir o uso de diferentes substratos cristalinos ou amorfos, e por ser muito efetivo no crescimento de nanoestruturas bem orientadas. Foram realizados estudos da influência do tipo de substrato, tempo de reação e a concentração do reagente Diaminopropano na morfologia dos filmes de ZnO depositados por CBD. As técnicas MEV e MET (Microscopia Eletrônica de Varredura e Transmissão) foram utilizadas para avaliar detalhes da morfologia das nanoestruturas obtidas, enquanto que a DRX (Difração de Raios X) foi usada para fornecer a estrutura cristalina dos filmes. PL (Fotoluminescência) foi empregada para estudo das propriedades ópticas dos filmes. A técnica XPS (Espectroscopia de Fotoelétrons excitados por Raios X) permitiu sondar o ambiente químico dos elementos presentes na superfície das amostras. Também, foram realizados experimentos de XAS (absorção de raios X) in situ, com o qual monitoramos a formação dos filmes de ZnO crescidos sobre o substrato de grafite. Finalmente, testes eletroquímicos com eletrodos construídos a partir da imobilização de enzimas na superfície dos filmes foram realizados, visando sua aplicação como biossensores de glicose e ureia. / This work was dedicated to the production and characterization of nanostructured ZnO films deposited by CBD (Chemical Bath Deposition) method. This is an attractive method because it is simple, low cost, allowing the use of different substrates, crystalline or amorphous, and to be very effective for the growth of well-oriented nanostructures. The investigation of the influence of the type of substrate, the reaction time and the concentration of the Diaminopropane on the morphology of ZnO films deposited by CBD were performed. The SEM and TEM (Scanning Electron Microscopy and Transmission) techniques were used to evaluate details of the morphology of the nanostructures obtained, while the XRD (X-Ray Diffraction) was used to provide the crystalline structure of the films. The photoluminescence was employed to analyze the optical properties of the films. The XPS (X-Ray photoelectron spectroscopy) allowed probing the chemical environment of the elements present on the sample surface. With the in situ XAS measurements we monitored the formation of ZnO films deposited on graphite substrate. Finally, electrochemical tests were performed on electrodes produced with the immobilization of enzymes on the surface of the ZnO films, foreseeing their use as glucose and urea biosensors.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta freqüência e/ou temperatura. Além disso, um filme de dióxido de silício (SiO2) pode ser crescido termicamente sobre o SiC de maneira análoga a sobre silício, permitindo que a tecnologia já existente para a fabricação de dispositivos utilizando Si possa ser adaptada para o caso do SiC. No entanto, filmes crescidos termicamente sobre SiC apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no SiO2/Si. Assim, compreender a origem e os parâmetros que afetam essa degradação elétrica é um importante passo para a tecnologia do SiC. A primeira parte deste trabalho teve como objetivo compreender o efeito de parâmetros de oxidação (pressão de oxigênio e tempo de oxidação) no crescimento térmico de filmes de dióxido de silício sobre substratos de carbeto de silício. As oxidações foram realizadas em ambiente rico em 18O2 e a influência na taxa de crescimento térmico dos filmes de Si18O2 e nas espessuras das regiões interfaciais formadas entre o filme dielétrico e o substrato foram investigadas utilizando análises por reação nuclear. Para correlacionar as modificações nas propriedades investigadas com as propriedades elétricas das amostras, estruturas metal-óxidosemicondutor foram fabricadas e levantamento de curvas corrente-voltagem e capacitânciavoltagem foi realizado. Com isso, pretendeu-se melhor compreender a origem da degradação elétrica gerada pela oxidação térmica no SiC. Observou-se que a taxa de crescimento térmico dos filmes de SiO2 depende de um parâmetro dado pelo produto do tempo de oxidação e da pressão de oxigênio, para as condições testadas. O deslocamento da tensão de banda plana com relação ao valor ideal mostrou-se igualmente dependente desse parâmetro, indicando que uma maior degradação elétrica na região interfacial SiO2/SiC ocorrerá conforme o filme fica mais espesso devido ao aumento dos parâmetros investigados. Não observaram-se modificações nas espessuras da região interfacial SiO2/SiC e na tensão de ruptura dielétrica dos filmes de SiO2 atribuídas aos parâmetros de oxidação testados. Na segunda parte deste trabalho, visando minimizar a degradação elétrica da região interfacial SiO2/SiC gerada pela oxidação térmica do SiC, propôs-se crescer termicamente, em uma condição mínima de oxidação, um filme muito fino e estequiométrico de SiO2, monitorado por espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios X. Para formar filmes mais espessos de SiO2 e poder fabricar estruturas MOS, depositaram-se filmes de SiO2 por sputtering. As espessuras e estequiometria dos filmes depositados foram determinadas por espectrometria de retroespalhamento Rutherford com ou sem canalização. As estruturas MOS em que o filme fino de SiO2 foi crescido termicamente antes da deposição apresentaram menor deslocamento da tensão de banda plana com relação ao valor ideal e maior tensão de ruptura dielétrica do que as amostras em que o filme foi apenas crescido termicamente ou apenas depositado, confirmando a minimização da degradação elétrica da região interfacial SiO2/SiC pela rota proposta. O efeito de um tratamento térmico em ambiente inerte de Ar nas estruturas também foi investigado. Observou-se uma degradação elétrica na região interfacial SiO2/SiC devido a esse tratamento. Análises por reação nuclear indicaram que o filme fino crescido termicamente não permaneceu estável durante o tratamento térmico, perdendo oxigênio para o ambiente gasoso e misturando os isótopos de oxigênio do filme crescido termicamente com o do filme depositado. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that requires high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si, allowing that technology already used to fabricate devices based on Si to be adapted to the SiC case. However, the oxide films thermally grown on SiC present higher density of electrical defects at the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si. Thus, the understanding of the origin and what parameters affect the electrical degradation is an important step to the SiC technology. The first part of this work aimed to understand the effect of oxidation parameters (oxygen pressure and oxidation time) in the thermal growth of silicon dioxide films on silicon carbide substrates. The oxidations were performed in an 18O2 rich ambient and the influence on the growth rate of the Si18O2 films and on the interfacial region thickness formed between the dielectric film and the substrate were investigated using nuclear reaction analyses. To correlate the modifications observed in these properties with modifications in the electrical properties, metal-oxide-semiconductors structures were fabricated and current-voltage and capacitancevoltage curves were obtained. The aim was to understand the origin of the electrical degradation due to the thermal oxidation of silicon carbide. It was observed that the growth rate of the Si18O2 films depends on the parameter given by the product of the oxygen pressure and the oxidation time, under the conditions tested. The flatband voltage shift with respect to the ideal value was also influenced by the same parameter, indicating that a larger electrical degradation in the SiO2/SiC interfacial region will occur as the film becomes thicker due to the increase of the values of the investigated parameters. No modifications were observed in the SiO2/SiC interfacial region thickness and in the dielectric breakdown voltage of the SiO2 films that could be attributed to the oxidation parameters tested. In the second part of this work, in order to minimize electrical degradation due to thermal oxidation of silicon carbide, a stoichiometric SiO2 film with minimal thickness was thermally grown, monitored by X-ray photoelectron spectroscopy. To obtain thicker films and to fabricate MOS structures, a SiO2 film was deposited by sputtering. The thicknesses and stoichiometries of the deposited films were determined by Rutherford backscattering spectrometry using or not the channeling geometry. The MOS structures in which a thin film was thermally grown before the deposition presented smaller flatband voltage shift and higher breakdown voltage when compared to SiO2 films only thermally grown or only deposited directly on SiC, confirming that the electrical degradation in the SiO2/SiC interfacial region was minimized using the proposed route. The effect of one thermal treatment in argon in the structures was also investigated. An electrical degradation in the SiO2/4H-SiC interface was observed. Nuclear reaction analyses indicated that the thin film thermally grown was not stable during the annealing, loosing O to the gaseous ambient and mixing O isotopes of the thermally grown film with those of the deposited film.

Este trabalho foi dedicado à produção e caracterização de filmes nanoestruturados de ZnO, depositado pelo método CBD (Chemical Bath Deposition). Trata-se de um método atrativo por ser simples, de baixo custo, por permitir o uso de diferentes substratos cristalinos ou amorfos, e por ser muito efetivo no crescimento de nanoestruturas bem orientadas. Foram realizados estudos da influência do tipo de substrato, tempo de reação e a concentração do reagente Diaminopropano na morfologia dos filmes de ZnO depositados por CBD. As técnicas MEV e MET (Microscopia Eletrônica de Varredura e Transmissão) foram utilizadas para avaliar detalhes da morfologia das nanoestruturas obtidas, enquanto que a DRX (Difração de Raios X) foi usada para fornecer a estrutura cristalina dos filmes. PL (Fotoluminescência) foi empregada para estudo das propriedades ópticas dos filmes. A técnica XPS (Espectroscopia de Fotoelétrons excitados por Raios X) permitiu sondar o ambiente químico dos elementos presentes na superfície das amostras. Também, foram realizados experimentos de XAS (absorção de raios X) in situ, com o qual monitoramos a formação dos filmes de ZnO crescidos sobre o substrato de grafite. Finalmente, testes eletroquímicos com eletrodos construídos a partir da imobilização de enzimas na superfície dos filmes foram realizados, visando sua aplicação como biossensores de glicose e ureia. / This work was dedicated to the production and characterization of nanostructured ZnO films deposited by CBD (Chemical Bath Deposition) method. This is an attractive method because it is simple, low cost, allowing the use of different substrates, crystalline or amorphous, and to be very effective for the growth of well-oriented nanostructures. The investigation of the influence of the type of substrate, the reaction time and the concentration of the Diaminopropane on the morphology of ZnO films deposited by CBD were performed. The SEM and TEM (Scanning Electron Microscopy and Transmission) techniques were used to evaluate details of the morphology of the nanostructures obtained, while the XRD (X-Ray Diffraction) was used to provide the crystalline structure of the films. The photoluminescence was employed to analyze the optical properties of the films. The XPS (X-Ray photoelectron spectroscopy) allowed probing the chemical environment of the elements present on the sample surface. With the in situ XAS measurements we monitored the formation of ZnO films deposited on graphite substrate. Finally, electrochemical tests were performed on electrodes produced with the immobilization of enzymes on the surface of the ZnO films, foreseeing their use as glucose and urea biosensors.

Este trabalho foi dedicado à produção e caracterização de filmes nanoestruturados de ZnO, depositado pelo método CBD (Chemical Bath Deposition). Trata-se de um método atrativo por ser simples, de baixo custo, por permitir o uso de diferentes substratos cristalinos ou amorfos, e por ser muito efetivo no crescimento de nanoestruturas bem orientadas. Foram realizados estudos da influência do tipo de substrato, tempo de reação e a concentração do reagente Diaminopropano na morfologia dos filmes de ZnO depositados por CBD. As técnicas MEV e MET (Microscopia Eletrônica de Varredura e Transmissão) foram utilizadas para avaliar detalhes da morfologia das nanoestruturas obtidas, enquanto que a DRX (Difração de Raios X) foi usada para fornecer a estrutura cristalina dos filmes. PL (Fotoluminescência) foi empregada para estudo das propriedades ópticas dos filmes. A técnica XPS (Espectroscopia de Fotoelétrons excitados por Raios X) permitiu sondar o ambiente químico dos elementos presentes na superfície das amostras. Também, foram realizados experimentos de XAS (absorção de raios X) in situ, com o qual monitoramos a formação dos filmes de ZnO crescidos sobre o substrato de grafite. Finalmente, testes eletroquímicos com eletrodos construídos a partir da imobilização de enzimas na superfície dos filmes foram realizados, visando sua aplicação como biossensores de glicose e ureia. / This work was dedicated to the production and characterization of nanostructured ZnO films deposited by CBD (Chemical Bath Deposition) method. This is an attractive method because it is simple, low cost, allowing the use of different substrates, crystalline or amorphous, and to be very effective for the growth of well-oriented nanostructures. The investigation of the influence of the type of substrate, the reaction time and the concentration of the Diaminopropane on the morphology of ZnO films deposited by CBD were performed. The SEM and TEM (Scanning Electron Microscopy and Transmission) techniques were used to evaluate details of the morphology of the nanostructures obtained, while the XRD (X-Ray Diffraction) was used to provide the crystalline structure of the films. The photoluminescence was employed to analyze the optical properties of the films. The XPS (X-Ray photoelectron spectroscopy) allowed probing the chemical environment of the elements present on the sample surface. With the in situ XAS measurements we monitored the formation of ZnO films deposited on graphite substrate. Finally, electrochemical tests were performed on electrodes produced with the immobilization of enzymes on the surface of the ZnO films, foreseeing their use as glucose and urea biosensors.

Nesta tese de doutorado apresentamos os resultados de quatro tópicos referentes a estudos de propriedades elétricas que são interpretados com o auxílio da Teoria Quântica de Átomos em Moléculas (QTAIM). No primeiro deles, foram calculados momentos de dipolo e suas derivadas através de um novo formalismo de divisão de átomos em moléculas, baseado em campos de forças de Ehrenfest (CFE), sendo que estes dados são comparados com aqueles advindos da QTAIM. Desta forma, um modelo alternativo de partição em carga - fluxo de carga - fluxo de dipolo (CFCFD) é discutido para derivadas do momento dipolar. Os resultados gerais obtidos pelo formalismo CFE foram satisfatórios em termos quantitativos, embora QTAIM ainda fornece uma descrição mais apropriada destes fenômenos das polarizações atômicas e de suas variações durante vibrações. Na sequência, investigamos os Atratores Não Nucleares (NNAs), que são identificados através de uma análise QTAIM da densidade eletrônica. O nosso intuito foi descobrir novas moléculas que apresentam essa peculiaridade, bem como encontrar padrões entre os casos encontrados que permitam contribuir para o entendimento dos fatores que levam ao seu aparecimento. Para isso trabalhamos com moléculas diatômicas homonucleares de elementos representativos com números atômicos que variavam de Z=1 até Z=38 e moléculas heteronucleares formadas pela combinação dos mesmos. Os nossos dados mostram que NNAs podem ser encontrados em alguns pontos dentro da faixa de distâncias internucleares investigada para quase todos os sistemas diatômicos homonucleares, exceto para as moléculas de Hidrogênio, Hélio e Estrôncio. Por sua vez, encontramos trinta casos de NNAs em sistemas heteronucleares, muitos dos quais ainda inéditos na literatura. Descobrimos também que a polarizabilidade atômica aparentemente tem um papel importante na explicação dos casos encontrados. Tratamos também de moléculas contendo interações fracas como as de Van der Waals (moléculas tri-atômicas contendo um gás nobre ligado a um composto diatômico iônico) de modo a investigar os valores de dipolos atômicos QTAIM de uma maneira mais direta, ou seja, via comparação com um modelo simples para estes compostos. Por fim, estudamos moléculas em estados excitados, sendo que nossa análise focou em dois casos peculiares (CO e de CF2N2) que apresentam momento de dipolo nulo no estado fundamental, enquanto valores significativos desta propriedade são observados em seus primeiros estados excitados. Desta forma, QTAIM foi fundamental para compreender como o processo de excitação pode levar à mudanças tão significativas em tais propriedades elétricas. / In this PhD thesis we present the results of four different topics that refer to a study of electric properties interpreted with The Quantum Theory of Atoms and Molecules (QTAIM). First, dipole moments and their derivatives were calculated from a new formalism based on Ehrenfest Force Fields (EFF) and a comparison with data from QTAIM is carried out. Therefore, the Charge-Charge Flux-Dipole Flux (CCFDF) model was discussed for the dipole moment derivatives. The results from EFF were satisfactory in quantitative terms although QTAIM still seems to be better for the description of atomic polarization and its variations during vibrations. In the sequence, we investigated the Non-Nuclear Attractors (NNAs) that could be identified with the QTAIM formalism. Our intention was to discover new molecules that present this peculiarity, as well as to find trends among these cases that allow contributing for the understanding of the factors that lead to their appearance. For this purpose, we selected homonuclear diatomic molecules of elements presenting atomic numbers ranging from Z=1 to Z=38 and heteronuclear diatomic molecules containing these same elements. Our data shows that NNAs could be found in almost every homonuclear molecule expect by the systems formed by Hydrogen, Helium, and Strontium. On other hand, we have found 30 cases of NNAs in heteronuclear molecules, many of them seen for the first time. We also have noticed that the atomic polarizabilities play a main role in the understanding of these cases. We also treated molecules containing weak Van der Waals interactions (triatomic complexes presenting a noble gas bonded to a diatomic ionic molecule) in order to investigate the atomic dipole values obtained with QTAIM in a direct way, that is, by means of a comparison using a simple model for this kind of bonding. Finally, we studied molecules in excited states. Our focus was in two peculiar cases (CO and CF2N2), which present null dipole moments in their ground states but exhibit significant dipole moment values in their first excited states. Therefore, QTAIM was fundamental to understand how the excitation process can lead to important changes in electric properties.