A superfície (001) dos compostos III-V têm grande importância para as modernas tecnologias de crescimento de materiais, assim o estudo da formação dessa superfície, de suas propriedades e dos processos de adsorção de moléculas que ocorrem sobre ela é essencial para o desenvolvimento da ciência de materiais. Sabe-se que o InP, a exemplo de outros compostos III-V, apresenta uma variedade de padrões de reconstrução para superfície (001) que dependem das condições iniciais que prevalecem durante o seu crescimento. Neste trabalho estudamos os padrões da superfície InP(001) originados em ambientes com concentração máxima de átomos de índio e de fósforo e os processos envolvidos com a adsorção da molécula H2S sobre estas superfícies. Usamos cálculos de primeiros princípios dentro do formalismo da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) associados à pseudopotenciais de norma conservada com aproximação generalizada do gradiente para o termo da energia de troca e correlação (DFT-GGA) e correlação não linear de caroço (NLCC). Fizemos a adsorção da molécula de H2S sobre os padrões mais estáveis da superfície InP(001), considerando os casos com a molécula dissociada e não dissociada. No padrão reconstrução 2x2 com dois dímeros, superfície originada em ambientes ricos em átomos de fósforo, fizemos o cálculo das barreiras de energia entre as configurações energeticamente mais favoráveis e encontramos um mecanismo de adsorção para a molécula de H2S dissociada Na superfície com padrão de reconstrução 2x4, crescida em ambientes ricos em átomos de índio, com formação de um dímero misto, verificamos que a molécula não dissociada adsorve sobre os sítios formados por átomos de fósforo e que adsorve sobre os sítios formados por átomos de índio. O átomo de enxofre da molécula dissociada adsorve sobre os sítios formados por átomos de fósforo e de índio e as moléculas de hidrogênio permanecem desorvidas, porém as estruturas são desfavoráveis energeticamente. / The (001) surface of the III-V compounds have great importance for modern technologies of materials growth thus the study of these surfaces formation, its properties and the absorption process of the molecules are essential for the development of materials science. It is well known that the InP, as well others III-V compounds, present a variety of reconstruction patterns for (001) surface that depend on the initial growth conditions. In this work we studied the patterns of InP(001) surface considering an environment with high concentration ln and P atoms and the interaction of the H2S molecule with these surfaces. Using first-principles calculations within the Density Functional Theory (DFT) formalism, norm-conserving pseudopotentials with the generalized gradient approximation for the exchange and correlation energies (GGA) and non-linear core-correction (NLCC). We have studied the H2S molecule adsorption on different reconstruction of the InP(001) surface, considering the cases in which the H2S molecule was dissociated and non-dissociated. In the 2x2 pattern with two dimmers, the energy barriers were calculated between the more energetically favorable configurations and a possible mechanism of adsorption of dissociated H2S molecule is proposed. The non-dissociated molecule does not bind over phosphorus sites but over indium sites, for all considered reconstructions. The sulfur atom of dissociated molecule adsorbs over phosphorus and indium sites and the hydrogen molecules stands not joint, however the structure are energetically unfavorable.

Neste trabalho foi desenvolvido um Espectrômetro de Correlação Angular Gama- Gama Perturbada Diferencial em Tempo (CAP) constituído por seis detectores cintiladores de BaF2, para realização de medidas de interações hiperfinas (campo hiperfino magnético e gradiente de campo elétrico) em diversos materiais e propiciar estudos na área da física da matéria condensada. O espectrômetro desenvolvido possui um sistema de aquisição não convencional em comparação aos demais equipamentos destinados a medidas de CAP. Ao invés do tradicional Analisador Multicanal (MCA), este espectrômetro utiliza um sistema de aquisição de dados constituído, basicamente, por um Conversor Analógico Digital (ADC) rápido, uma placa digital (I/O) convencional e um roteador construído no laboratório de Interações Hiperfinas (LIH) do IPEN. Este versátil e eficiente sistema, controlado por um software também criado no LIH em LabVIEW, permite a geração simultânea de 30 espectros de coincidências γ - γ atrasadas, número superior em comparação aos 12 espectros do antigo espectrômetro de quatro detectores. Além de medidas de linearidade, resolução em tempo e tempo morto, o funcionamento e o desempenho do espectrômetro foram comprovados através de medidas de CAP utilizando os núcleos de prova 111In -> 111Cd e 181Hf -> 181Ta, cujos resultados são bem conhecidos da literatura. Foram feitas medidas de interação quadrupolar do 181Ta em háfnio metálico e do 111Cd em cádmio metálico, e de campo hiperfino magnético do 111Cd e do 181Ta em níquel. Os resultados destas medidas se mostraram em concordância com a literatura. Adicionalmente foram realizadas medidas inéditas de interações hiperfinas magnéticas no composto intermetálico LaMnSi2 utilizando os núcleos de prova 111Cd e 140Ce. As medidas foram realizadas na faixa de temperatura de 10 K a 400K. No caso das medidas utilizando a sonda 111In -> 111Cd, os resultados mostram uma variação do campo magnético com a temperatura que segue a função de Brillouin. Já no caso das medidas com o núcleo de prova 140La -> 140Ce, o resultado apresentou um comportamento anômalo do campo hiperfino em função de temperatura. Os resultados evidenciam uma forte hibridização da banda 4f do Ce com a banda 3d do Mn, fato verificado e estudado em trabalhos anteriores com compostos semelhantes. / In this work a Perturbed gama-gama Angular Correlation (PAC) spectrometer was constructed consisting of six BaF2 scintillator detectors to perform measurements of hyperfine interactions (magnetic hyperfine field and electric field gradient) in different materials to study condensed matter physics. The spectrometer developed has an unconventional acquisition system compared to other equipment for PAC measurements. Instead of a traditional multichannel analyzer (MCA), the spectrometer utilizes a data acquisition system consisting of basically a fast analog to digital converter (ADC), a conventional digital card (I/O) and a router constructed in the hyperfine interactions laboratory (LIH) of IPEN. This versatile and efficient system, controlled by software, also developed in the LIH using LabVIEW, allows simultaneous generation of 30 delayed γ - γ coincidence spectra compared to 12 spectra in the old 4 detector spectrometer in our laboratory. In addition to the tests of system linearity, time resolution and dead time, the operational performance of this spectrometer was demonstrated by PAC measurements using 111In -> 111Cd and 181Hf -> 181Ta nuclear probes, for which the results are well known from the literature. The quadrupole interaction of 181Ta in metallic hafnium, and 111Cd in metallic cadmium, and magnetic hyperfine field of 111Cd in nickel, were measured and the results are in agreement with the literature. Additionally the measurements were carried out, with the new spectrometer, to study the hyperfine field in the intermetallic compound LaMnSi2 using 111Cd and 140Ce nuclear probes. The measurements were carried out in the temperature range from 10 K to 400 K. While the temperature dependence of hyperfine field measured with 111In -> 111Cd probe, follows the Brillouin function the behaviour of the hyperfine field measured with 140La -> 140Ce is anomalous. This behavior has been explained in terms of a strong hybridization of 4f band of Ce with the 3d band of Mn, a fact verified in previous studies with similar compounds.

Neste trabalho foi desenvolvido um Espectrômetro de Correlação Angular Gama- Gama Perturbada Diferencial em Tempo (CAP) constituído por seis detectores cintiladores de BaF2, para realização de medidas de interações hiperfinas (campo hiperfino magnético e gradiente de campo elétrico) em diversos materiais e propiciar estudos na área da física da matéria condensada. O espectrômetro desenvolvido possui um sistema de aquisição não convencional em comparação aos demais equipamentos destinados a medidas de CAP. Ao invés do tradicional Analisador Multicanal (MCA), este espectrômetro utiliza um sistema de aquisição de dados constituído, basicamente, por um Conversor Analógico Digital (ADC) rápido, uma placa digital (I/O) convencional e um roteador construído no laboratório de Interações Hiperfinas (LIH) do IPEN. Este versátil e eficiente sistema, controlado por um software também criado no LIH em LabVIEW, permite a geração simultânea de 30 espectros de coincidências γ - γ atrasadas, número superior em comparação aos 12 espectros do antigo espectrômetro de quatro detectores. Além de medidas de linearidade, resolução em tempo e tempo morto, o funcionamento e o desempenho do espectrômetro foram comprovados através de medidas de CAP utilizando os núcleos de prova 111In -> 111Cd e 181Hf -> 181Ta, cujos resultados são bem conhecidos da literatura. Foram feitas medidas de interação quadrupolar do 181Ta em háfnio metálico e do 111Cd em cádmio metálico, e de campo hiperfino magnético do 111Cd e do 181Ta em níquel. Os resultados destas medidas se mostraram em concordância com a literatura. Adicionalmente foram realizadas medidas inéditas de interações hiperfinas magnéticas no composto intermetálico LaMnSi2 utilizando os núcleos de prova 111Cd e 140Ce. As medidas foram realizadas na faixa de temperatura de 10 K a 400K. No caso das medidas utilizando a sonda 111In -> 111Cd, os resultados mostram uma variação do campo magnético com a temperatura que segue a função de Brillouin. Já no caso das medidas com o núcleo de prova 140La -> 140Ce, o resultado apresentou um comportamento anômalo do campo hiperfino em função de temperatura. Os resultados evidenciam uma forte hibridização da banda 4f do Ce com a banda 3d do Mn, fato verificado e estudado em trabalhos anteriores com compostos semelhantes. / In this work a Perturbed gama-gama Angular Correlation (PAC) spectrometer was constructed consisting of six BaF2 scintillator detectors to perform measurements of hyperfine interactions (magnetic hyperfine field and electric field gradient) in different materials to study condensed matter physics. The spectrometer developed has an unconventional acquisition system compared to other equipment for PAC measurements. Instead of a traditional multichannel analyzer (MCA), the spectrometer utilizes a data acquisition system consisting of basically a fast analog to digital converter (ADC), a conventional digital card (I/O) and a router constructed in the hyperfine interactions laboratory (LIH) of IPEN. This versatile and efficient system, controlled by software, also developed in the LIH using LabVIEW, allows simultaneous generation of 30 delayed γ - γ coincidence spectra compared to 12 spectra in the old 4 detector spectrometer in our laboratory. In addition to the tests of system linearity, time resolution and dead time, the operational performance of this spectrometer was demonstrated by PAC measurements using 111In -> 111Cd and 181Hf -> 181Ta nuclear probes, for which the results are well known from the literature. The quadrupole interaction of 181Ta in metallic hafnium, and 111Cd in metallic cadmium, and magnetic hyperfine field of 111Cd in nickel, were measured and the results are in agreement with the literature. Additionally the measurements were carried out, with the new spectrometer, to study the hyperfine field in the intermetallic compound LaMnSi2 using 111Cd and 140Ce nuclear probes. The measurements were carried out in the temperature range from 10 K to 400 K. While the temperature dependence of hyperfine field measured with 111In -> 111Cd probe, follows the Brillouin function the behaviour of the hyperfine field measured with 140La -> 140Ce is anomalous. This behavior has been explained in terms of a strong hybridization of 4f band of Ce with the 3d band of Mn, a fact verified in previous studies with similar compounds.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3005.pdf: 10668736 bytes, checksum: 8ec8cb21968edc4feb09cb7616b0e9b2 (MD5) Previous issue date: 2010-05-07 / Universidade Federal de Minas Gerais / The structural and transport features of oxide nanostructures synthesized by a vapour phase aproach: the VLS and VS methods were investigated in this work. ITO and In2O3 nanowires were characterized by using XRD, HRTEM and FEG-SEM techniques. Both nanostructures were found to be body-centered cubic (bixbyite, point group Ia3) single crystals with a well defined growth direction. Raman spectroscopy was used in order to study the nanowires composition, crystalline character and the role of tin atoms in the In2O3 lattice (ITO) was studied as well. The influence of the structural disorder induced by doping was pointed as the main cause of the break of the selection rules in ITO and it was promptly recognized in the Raman spectrum. The metallic character observed in In2O3 micrometric wires was assigned to the electron-phonon scattering in agreement with the Bloch-Grüneisen theory. ITO samples with different sizes were analysed in the framework of the Bloch-Grüneisen theory and at high temperatures (T > 77 K) they were found to present a typical metallic character. It was observed at low temperatures (T < 77 K) and in small samples a negative temperature coefficient of resistance which is an evidence that quantum interference processes are present. A weak localized character was found in these samples as detected in magnetoresistance measurements. The electron s phase break was associated to the electronelectron scattering (T < 77 K) and the electron-phonon scattering (T > 77 K). The transport measurements in one-nanowire based FET provided data on the electron s mobility and density. Tin oxide nanobelts were also studied and their structural and electrical characterizations were obtained. In this case the association of several structural measurements provided that the samples are rutile-like single crystals (point group P42/mnm) grown by the VS mechanism. The transport measurements provided data on the nanobelts gap energy (3.8 eV) and on the transport mechanisms acting in different temperature ranges. An activated-like process and the variable range hopping were found to be present in different temperature range and additionally the localization length was determined. The influence of additional levels inside the gap caused by oxygen vacancies was studied by performing light and atmosphere-dependent experiments and as a result a photo-activated character was detected. Thermally stimulated current measurements provided evidence that only one level associated to the oxygen vacancies at 1.8 eV seems to contribute to the transport in SnO2 nanobelts. Triclinic single crystalline nanobelts were identified as the Sn3O4 phase and were analyzed by transport measurements. The samples were wide band gap semiconductors and the role of oxygen vacancies was identified by using PL and PC measurements. The semiconductor behavior was confirmed by the electron transport data, which pointed to the variable range hopping process as the main conduction mechanism (55 K < T < 398 K) and data on localization length and on the hopping distance were obtained. The presence of additional levels due to oxygen vacancies and tin interstitials was recognized in the samples by performing photo-activated and thermally stimulated current measurements. / Neste trabalho foram investigadas características estruturais e de transporte eletrônico em nanoestruturas óxidas sintetizadas por métodos baseados em fase de vapor: os métodos VLS e VS. Amostras de In2O3 e ITO foram caracterizadas quanto às suas características estruturais usando-se técnicas experimentais como XRD, HRTEM e FEG-SEM e comprovou-se que são monocristais cúbicos de corpo centrado (bixbyite) pertencentes ao grupo puntual Ia3 com direção preferencial de crescimento bem definida. A espectroscopia Raman foi utilizada como ferramenta fundamental para o estudo da composição destes materiais, confirmando a fase, o caráter monocristalino bem como a presença de dopantes na estrutura do In2O3 como no caso do ITO. Estudou-se ainda a influência da desordem estrutural causada pela dopagem nas estruturas já que esta se reflete diretamente em uma quebra na regra de seleção do material e portanto, no espectro Raman. O estudo dos mecanismos de transporte eletrônico em microfios de In2O3 mostrou uma característica essencialmente metálica nestes materiais, comprovada pela identificação do espalhamento elétron-fônon (teoria de Bloch-Grüneisen) como a principal fonte de espalhamento. Amostras de ITO com diferentes tamanhos também foram estudadas e observou-se, acima de 77 K, o aumento da resistência com o aumento da temperatura também caracterizado pela interação elétron-fônon. A observação de um coeficiente negativo de temperatura da resistência observado na amostra nanométrica e em baixas temperaturas aponta para a presença de processos quânticos de interferência originados principalmente da redução da dimensionalidade da amostra. De fato, a aplicação de um campo magnético mostrou a supressão desse comportamento em função da temperatura, comprovando assim que a chamada localização fraca encontra-se presente no nanofio de ITO. Nesse caso, a destruição da fase do elétron foi associada ao espalhamento elétron-elétron (T < 77 K) e ao espalhamento elétron-fônon (T > 77 K). O uso das referidas amostras como transistores de efeito de campo permitiu ainda a obtenção de parâmetros importantes como a mobilidade e a densidade de portadores nas amostras. Nanofitas de SnO2 também foram estudadas e suas propriedades estruturais e de transporte eletrônico foram obtidas. Nesse caso encontrou-se através de técnicas de medida variadas que as amostras são monocristais com estrutura do tipo rutila (grupo puntual P42/mnm) sintetizadas pelo método VS. Diferentes experimentos de transporte eletrônico permitiram a determinação do gap de energia deste material em 3.8 eV e ainda permitiram identificar a presença de diferentes mecanismos de transporte atuando em intervalos de temperatura bem determinados. De fato observou-se a transição de um comportamento de ativação térmica para um comportamento localizado e também ativado por fônons, o hopping donde se determinou o comprimento de localização eletrônico. A presença de níveis adicionais ao gap de energia foi estudada através de experimentos feitos em diferentes atmosferas e sob ação de luz ultravioleta visando explorar o caráter foto-ativado detectado nas amostras. Foi observado de medidas termicamente estimuladas a emissão termiônica de portadores através dos contatos elétricos o que indica que o único nível que parece contribuir com portadores livres nas nanofitas de SnO2 é aquele detectado em 1.8 eV. Amostras monocristalinas com estrutura triclínica, com morfologia de fita e cuja fase foi identificada como sendo Sn3O4 foram também investigadas. A presença de vacâncias de oxigênio e de um gap largo de energia foram observadas através de experimentos de PL e PC. O hopping foi identificado em um grande intervalo de temperaturas (55 K < T < 398 K) como o principal mecanismo de transporte eletrônico observado nas amostras o que comprova a presença de localização e também indica que as amostras se comportam como um semicondutor. Adicionalmente, parâmetros como o comprimento de localização e a distância de pulo dos elétrons foram calculadas. A presença de vacâncias de oxigênio nestas amostras foi ainda estudada através de medidas foto-ativadas pela luz ultravioleta e em diferentes atmosferas de medida, e também por experimentos de TSC donde obteve-se evidências adicionais sobre a presença de outras fontes de elétrons livres como vacâncias superficiais ou interstícios de estanho, contribuindo para o transporte nestas amostras.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3794.pdf: 17721129 bytes, checksum: b6546a47de96bdc71ee912de0e338148 (MD5) Previous issue date: 2011-03-11 / Universidade Federal de Sao Carlos / In this work, we have studied the transport and optical properties of GaAs = AlGaAs resonant tunneling diodes with Si delta-doping at the center of the quantum well. We have studied magneto-transport and polarized resolved photoluminescence from GaAs quantum well and contact layers as a function of applied voltage and magnetic _eld parallel to the tunnel current. Three resonant peaks are observed in the current-voltage characteristics curve and are associated to the resonant tunneling through the bound state of a shallow donor impurity in the quantum well (donor-assisted resonant tunneling), the electron resonant tunneling through the _rst con_ned state in the quantum well and the phonon-assisted tunneling. The contact layer and the quantum well emissions were investigated as a function of applied bias at 15 T. The optical emission from GaAs contact layers shows evidence of highly spin polarized two-dimensional electron (2DEG) and hole (2DHG) gases which a_ects the spin polarization of carriers in the QW. The quantum well (QW) photoluminescence presents strong circular polarization with values up to 85% in 15 T at low applied voltages (at the donor assisted resonant tunneling condition) and for low laser intensities. Our results may be interesting for the developing of new voltage-controlled spintronics devices. / Neste trabalho, realizamos um estudo sistemático das propriedade óticas e de transporte de um diodo de tunelamento ressonante GaAs = AlGaAs com delta-doping de Silício no centro do poço quântico. Realizamos medidas das curvas características corrente tensão e da fotoluminescência resolvida em polarização em função da voltagem e do campo magnético aplicado na direção paralela à corrente túnel. Foram observados três picos na curva característica de corrente-tensão, que foram associados ao tunelamento ressonante através de estados ligados de impurezas doadoras no poço quântico (tunelamento ressonante assistido por impurezas doadoras), tunelamento ressonante do elétron através do primeiro estado con_nado no poço quântico e ao tunelamento assistido por emissão de fônons óticos. Observamos sinal de fotoluminescência associado à emissão em diferentes camadas da amostra incluindo o poço quântico de GaAs e as camadas de contato com intensidades sensíveis à voltagem aplicada ao diodo. A emissão das camadas do contato e do poço quântico em função da voltagem foi investigada para diferentes valores de campo magnético. Na ausência de campo magnético, observamos uma emissão dependente da voltagem, que foi associada à recombinação indireta de buracos do gás bidimensional de buracos que se formam próxima à barreira e elétrons livres. Uma nova emissão dependente da voltagem aplicada foi observada na presença de campo magnético e foi associada à recombinação de elétrons do gás bidimensional de elétrons que é formada próxima à barreira emissora com buracos livres. Observamos que tais emissões, associadas aos gases bidimensionais, são altamente polarizadas e podem contribuir de forma signi_cativa para polarização de spin na região do poço quântico. Observamos também um alto grau de polarização de spin do poço quântico com valores de até 85% em 15 T em baixa voltagem (condição em que há o tunelamento ressonante assistido por impurezas doadoras) e em baixa intensidade do laser. Foi realizado também um breve estudo do comportamento das i ii emissões com a variação do campo magnético e da potência de luz aplicada. De forma geral, nossos resultados podem ser interessantes para o desenvolvimento de dispositivos spintrônicos controlados por voltagem

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissRGA.pdf: 1694261 bytes, checksum: c2c5939a19ff35188c90b90a07e5bcf2 (MD5) Previous issue date: 2005-02-28 / Universidade Federal de Minas Gerais / In this work we present first principles calculations with Density Functional Theory, DFT, using norm-conserving pseudopotentials. Initially, we perform calculations of structural properties for metallic barium, Ba, in the Local Density Approximation, LDA, and Generalized Gradient Approximation, GGA, for the exchange and correlation potential. This study aimed at familiarization with the formalism and with the program SIESTA, which was used throughout this dissertation. The GGA turned out to perform out better than LDA, yielding results close to experimental values. After that, we perform structural calculations for Barium Oxide, BaO, in its four allotropic forms, in the LDA and GGA. A study of the energetics of structural phase transitions in this system was carried out in order to identify the sequence of structural transitions. We find that LDA is unable to determine the correct sequence of structural transitions, while GGA reproduces it correctly. Finally, we calculated the phase transition pressures using the enthalpy method. These phase transition pressures, at T = 0 K, are in reasonable agreement with ultrasoft pseudopotential calculations. Our study shows that the use of GGA is fundamental for an adequate description of the energetics of phase transitions in BaO. / Este trabalho consiste de cálculos de primeiros princípios utilizando a Teoria do Funcional da Densidade, a DFT, com pseudopotenciais com conservação de norma. Num primeiro momento, fizemos cálculos de propriedades estruturais para o Bário metálico, Ba, na Aproximação de Densidade Local, LDA e na Aproximação de Gradientes Generalizados, GGA, para o potencial de correlação e troca, com os intuitos de aprendizado do formalismo e de familiarização com o programa SIESTA, que utilizamos nesta dissertação. A aproximação GGA mostrou-se melhor que a LDA, com resultados muito mais proximos dos resultados experimentais. Em seguida, fizemos cálculos estruturais para o Oxido de Bário, BaO, para as quatro formas alotrópicas deste composto nas aproximações LDA e GGA. Procedemos com um estudo da energética do BaO para identificar a sequência de transições de fase. Constatamos que a aproximação LDA não reproduz a sequência de transição de fase observada experimentalmente, ao contrário da aproximação GGA, que foi capaz de reproduzí-la. Por fim, calculamos as pressões de transição de fase, na aproximação GGA, através do cálculo da entalpia dos sistemas. Estas pressões de transição de fases, a T = 0K, estão em razoável acordo com resultados de cálculos feitos com pseudopotenciais ultrasuaves. Nosso estudo mostra que o uso da aproximação GGA é fundamental para uma descrição adequada da energética de transições de fase do BaO.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:35:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1490865 bytes, checksum: c014553d8c6a9395d9d2f138ae2b16f8 (MD5) Previous issue date: 2014-07-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Spin ice is a substance that does not have a single minimal­energy state. Even at very lower temperatures, these compounds shows a residual entropy as well as the water ice. The magnetic ordering of a spin ice resembles the position of hydrogen atoms in water ice, arranged in a tetrahedron and obeying the the ice rule. The most prominent ice spin compounds are holmium titanate and dysprosium titanate. This system is subject to geometrical frustration, when all interactions between pairs are not satisfied simultaneously. The artificial spin ice are structures that have magnetic monodomains subject to geometrical frustration generating mono pole ­ antimonopole pairs (or magnetic charges ) connected by an observable string. As the flow of electrical charges produces electric current, magnetic monopoles that can walk freely generate something like a magnetic current in these frustrated systems. In this work we manufacture and characterize structures of artificial spin ice, produced by nanolithography techniques, arranged in a rectangular unidirectional lattice and characterized by Atomic Force Microscopy (AFM) and Magnetic Force Microscopy (MFM). We note that for this particular lattice, the experimental results of ground state are consistent with the theoretical results also presented in this dissertation. Thus, these systems of artificial spin ice are a proposal for a practical use of magnetic currents caused by application of an external magnetic field. This system can be used at room temperature and its parameters, as nanoislands size and lattice spacing can be turned at will. / Gelo de spin é uma substância que não possui um único estado de mínima energia. Mesmo a temperaturas muito baixas, esses compostos apresentam uma entropia residual, assim como no gelo da água. O ordenamento magnético de um gelo de spin se assemelha a posição dos átomos de hidrogênio no gelo da água, dispostas em um tetraedro e obedecendo a chamada regra do gelo. Os gelos de spin naturais mais comuns são compostos de titanato de hólmio e titanato de disprósio. Este sistema é sujeito à frustração geométrica, quando todas as interações entre pares não são satisfeitas simultaneamente. Os gelos de spin artificiais são estruturas que possuem monodomínios magnéticos sujeitos a frustração geométrica gerando pares monopolo­antimonopolo (ou cargas magnéticas) ligados por uma string observável. Assim como o fluxo de cargas elétricas produz corrente elétrica, monopolos magnéticos podendo andar livremente, geram algo parecido com uma corrente magnética nesses sistemas frustrados. Neste trabalho fabricamos e caracterizamos estruturas de gelos de spin artificiais, produzidas por técnicas de nanolitografia, dispostas em uma rede retangular unidirecional e caracterizadas por Microscopia de Força Atômica (AFM) e Microscopia de Força Magnética (MFM). Observamos que para esta rede em particular, resultados experimentais do estado fundamental condizem com os resultados teóricos também apresentados neste trabalho. Assim, estes sistemas de gelos de spin artificiais são uma proposta para uma utilização prática de correntes magnéticas, causadas pela aplicação de um campo magnético externo. Este sistema pode ser utilizado a temperatura ambiente e seus parâmetros, como tamanho das nanoilhas e espaçamento de rede, podem ser ajustados a vontade.

Estudos teóricos recentes afirmaram que cadeias longas de poliaceno exibem um estado fundamental ferromagnético e uma alternância de ligações simples-duplas considerável. O estudo de nanoestruturas com propriedades magnéticas tem se tornado relevante para campos como a eletrônica molecular ou a spintrônica. A principal desvantagem do poliaceno é sua instabilidade química, porque sua estrutura é altamente reativa. Os resultados experimentais indicam que atualmente só é possível fabricar oligômeros pequenos. Neste trabalho estudamos a estrutura eletrônica de fitas de poliaceno sob o efeito da substituição de átomos de enxofre nas bordas. Buscamos com isso investigar a estabilidade química da fita sem a perda do estado ferromagnético intrínseco da estrutura pura. Os cálculos foram baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) com o funcional híbrido B3LYP. Na primeira etapa observamos o efeito da concentração e posição do enxofre dentro da estrutura em função do gap de energia. Grandes concentrações de enxofre mostraram que a estrutura sofre distorções geométricas severas provocando mudanças significativas no gap. Para as diversas configurações da dopagem foram testados vários tamanhos da célula unitária, proporcionando mais graus de liberdade para a relaxação do sistema. Na maioria dos casos a diferença da energia por célula unitária entre os estados magnéticos e não magnéticos foi pequena (da ordem da energia térmica para temperatura ambiente). Isso indica que qualquer configuração com uma diferença de energia dessa ordem pode ser facilmente induzida através de perturbações externas para que fique no estado magnético. O enxofre então pode ser um dopante viável dentro destas estruturas de carbono conservando as propriedades intrínsecas junto com a estabilidade. / Recent theoretical studies reported that long polyacene chains exhibit a ferromagnetic ground state and a considerable alternation between single and double bonds. The study of nanostructures with magnetic properties has become relevant in fields such as molecular electronics and spintronics. The main disadvantage of polyacene is the chemical instability because it\'s structure is highly reactive. Experimental results indicate that only small oligomers, up to heptacene, are stable. We study the electronic structure of polyacene chains substitutionally doped by sulfur. The aim of the present study is to investigate the do\\-ping by sulfur at the chain edges and it\'s influence on magnetic states. The calculations were based on the Density Functional Theory (DFT) with the hybrid functional B3LYP. Firstly, we adopted a small oligomer to study the effects of the position and concentration of sulfur on the structure and on the energy gap. Large concentrations of sulfur provoke severe geometric distortions causing significant changes on the energy gap. Multiple configurations of doping were tested by adopting large unit cells, which provide more degrees of freedom to the relaxation of the system. In most cases the difference of energy per unit cell between the magnetic and non-magnetic states was small (of the order of the thermal energy). This indicates that these systems can easily be excited by external disturbances to reach a magnetic state. Therefore sulfur could be a viable dopant on these carbon structures since the chemical stability is increased while retaining some of the desired electronic and magnetic properties.

A superfície (001) dos compostos III-V têm grande importância para as modernas tecnologias de crescimento de materiais, assim o estudo da formação dessa superfície, de suas propriedades e dos processos de adsorção de moléculas que ocorrem sobre ela é essencial para o desenvolvimento da ciência de materiais. Sabe-se que o InP, a exemplo de outros compostos III-V, apresenta uma variedade de padrões de reconstrução para superfície (001) que dependem das condições iniciais que prevalecem durante o seu crescimento. Neste trabalho estudamos os padrões da superfície InP(001) originados em ambientes com concentração máxima de átomos de índio e de fósforo e os processos envolvidos com a adsorção da molécula H2S sobre estas superfícies. Usamos cálculos de primeiros princípios dentro do formalismo da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) associados à pseudopotenciais de norma conservada com aproximação generalizada do gradiente para o termo da energia de troca e correlação (DFT-GGA) e correlação não linear de caroço (NLCC). Fizemos a adsorção da molécula de H2S sobre os padrões mais estáveis da superfície InP(001), considerando os casos com a molécula dissociada e não dissociada. No padrão reconstrução 2x2 com dois dímeros, superfície originada em ambientes ricos em átomos de fósforo, fizemos o cálculo das barreiras de energia entre as configurações energeticamente mais favoráveis e encontramos um mecanismo de adsorção para a molécula de H2S dissociada Na superfície com padrão de reconstrução 2x4, crescida em ambientes ricos em átomos de índio, com formação de um dímero misto, verificamos que a molécula não dissociada adsorve sobre os sítios formados por átomos de fósforo e que adsorve sobre os sítios formados por átomos de índio. O átomo de enxofre da molécula dissociada adsorve sobre os sítios formados por átomos de fósforo e de índio e as moléculas de hidrogênio permanecem desorvidas, porém as estruturas são desfavoráveis energeticamente. / The (001) surface of the III-V compounds have great importance for modern technologies of materials growth thus the study of these surfaces formation, its properties and the absorption process of the molecules are essential for the development of materials science. It is well known that the InP, as well others III-V compounds, present a variety of reconstruction patterns for (001) surface that depend on the initial growth conditions. In this work we studied the patterns of InP(001) surface considering an environment with high concentration ln and P atoms and the interaction of the H2S molecule with these surfaces. Using first-principles calculations within the Density Functional Theory (DFT) formalism, norm-conserving pseudopotentials with the generalized gradient approximation for the exchange and correlation energies (GGA) and non-linear core-correction (NLCC). We have studied the H2S molecule adsorption on different reconstruction of the InP(001) surface, considering the cases in which the H2S molecule was dissociated and non-dissociated. In the 2x2 pattern with two dimmers, the energy barriers were calculated between the more energetically favorable configurations and a possible mechanism of adsorption of dissociated H2S molecule is proposed. The non-dissociated molecule does not bind over phosphorus sites but over indium sites, for all considered reconstructions. The sulfur atom of dissociated molecule adsorbs over phosphorus and indium sites and the hydrogen molecules stands not joint, however the structure are energetically unfavorable.

Neste trabalho estudamos as propriedades estruturais (estabilidade configuracional e vibracional), eletrônicas e ópticas de diamantóides diamondoids) puros e funcionalizados, em suas fases isolada e cristalina. As investigações foram efetuadas através de simulações computacionais baseadas em métodos de primeiros princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade e utilizando o método Projector Augmented-Wave, implementado no código computacional VASP (Vienna ab initio simulation package), dentro do modelo de supercélula. Investigamos as propriedades de moléculas de adamantano e as respectivas modificações causadas pela sua funcionalização com átomos de boro e/ou nitrogênio, e dos radiais derivados do adamantil. Finalmente, investigamos a viabilidade de se usar essas moléculas funcionalizadas como blocos fundamentais para construir, através de um processo de auto-organização, cristais moleculares. As propriedades estruturais, eletrônicas e vibracionais das moléculas de adamantano e seus amino derivados foram investigadas usando o código computacional Gaussian, com a utilização do funcional híbrido B3LYP/6-31+G¤. Investigamos as propriedades estruturais e energéticas dos isômeros da amantadina e da rimantadina, onde os grupos amina e dimetilamina foram introduzidos em dois diferentes sítios da molécula de adamantano. Descobrimos que a distribuição de carga do orbital eletrônico mais alto ocupado está sempre associada com o par de elétrons do orbital lone pair do átomo de nitrogênio do radical, sendo este, portanto, o sítio mais reativo de qualquer dessas moléculas. Encontramos uma pequena diferença na energia total entre as formas isoméricas da amantadina e da rimantadina, que apontou para a possibilidade de se encontrar concentrações de diferentes isótopos nas amostras experimentais. A comparação dos espectros vibracionais teóricos e experimentais sugere, também, a presença de formas isoméricas da amantadina e da rimantadina nas amostras. A estabilidade dos cristais moleculares, formados por moléculas de adamantano funcionalizadas, foi quantificada pelo valor de suas energias de coesão, enquanto que sua rigidez pelo valor de seus bulk moduli. Encontramos que todos eles são bastante estáveis, com valores de energia de coesão no in-tervalo de 1 a 6 eV/ligação e do bulk modulus no intervalo de 20-40 GPa, que é consideravelmente menor do que em sólidos covalentes típicos, tais como o diamante e o nitreto de boro. No entanto, ainda é muito maior do que os valores, da ordem de 10 GPa, encontrados para outros cristais moleculares típicos, onde a interação intermolecular é fraca e do tipo dispersiva. Obtivemos que estes cristais moleculares apresentam gap de energia direto e largo, indicando potenciais aplicações em opto-eletrônica. Além disso, averiguamos que eles podem ser classificados como dielétricos de baixo-, podendo ser utilizados nas interconexões de nanodispositivos. / In this investigation, we studied the structural, electronic, and optical properties of pure and functionalized diamondoids in their isolated and crystalline phases. The investigations were carried by computational simulations using ab initio methods, based on the density functional theory and the projector augmented-wave methods. All these elements were incorporated in the VASP computational package (Vienna ab initio simulation package), using a super-cell approach. We investigated the properties of the adamantane molecules and the respective modifications resulting from chemical functionalization with boron and/or nitrogen atoms and the adamantyl derived radicals. Finally, we investigated the viability of using such functionalized molecules as fundamental building blocks to build self-organized molecular crystals. The structural, electronic and vibrational properties of adamantane and its amino derived molecules were investigated by the Gaussian computational package, using the B3LYP/6-31+G¤ hybrid functional. We investigated the energetics and structural properties of the amantadine and rimantadine isomers, in which the amine and dimetilamine groups were introduced in different molecular sites of adamantane. We found that the charge distribution of the highest occupied orbital is always associated with the lone pair of the nitrogen site, being the most reactive one in those molecules. We found a small energy difference between the isomeric forms of amantadine and rimantadine, suggesting the possibility of finding concentrations of both isomers in experimental samples. The comparison of the theoretical and experimental vibrational spectra also suggested the presence of different isomers in samples. The rigidity of the molecular crystals, formed by functionalized adamantane molecules, could be determined by their bulk moduli while their stability by the cohesive energies. We found values in the 1-6 eV range for cohesion and in the 20-40 GPa range for the bulk modulus, which is considerably lower than in typical covalent solids, but it is considerably larger than values of typical molecular crystals, in the 10 GPa range. Those molecular crystals present large and direct electronic gaps, suggesting potential applications in opto-electronics. Additionally, those crystals could be classified as low-k dielectric, which could be used as fillings in interconections in nanodevices.