Recentemente, tem sido questionada a validade do teorema de Migdal nos fuieretos dopados supercondutores. Motivados por esse problema, realizamos nesta dissertação uma revisão das propriedades físicas destes novos e notáveis materiais: os fulerenos e outros representantes desta família de compostos orgânicos que possuem estrutura geométrica de gaiola fechada. Em primeiro lugar abordamos, ainda que de maneira sucinta, alguns fundamentos da teoria microscópica BCS (Bardeen, Cooper e Schrieffer, 1961) da supercondutividade, tais como o problema da instabilidade do líquido de Fermi, a formação de pares de Cooper, o método da transformação canônica para demonstrar o aparecimento da interação efetiva atrativa entre os elétrons do par, as equações de Gor'kov demonstrando o surgimento do gap supercondutor, e a expressão BCS da temperatura crítica no limite de acoplamento fraco. Após, revisamos o trabalho realizado por Grimaldi, Cappelluti e Pietronero (1995), sobre a supercondutividade não adiabática nos fuieretos dopados, no qual são feitas correções de vértice para a interação elétron-fônon, usando o método perturbativo. Naquele trabalho eles utilizam um modelo de fônons de Einstein com uma única freqüência para caracterizar a função espectral de Eliashberg, necessária para obter tais correções de vértice Nossa proposta neste trabalho é generalizar este modelo por um constituído de várias Lorentzianas truncadas, centradas nas freqüências dos principais modos de vibração da rede cristalina: os intermoleculares, os ópticos e os intramoleculares. Encontramos como resultado deste estudo que as correções de vértice, com contribuição multifonônica, introduzem modificações substancias como um aumento da temperatura crítica e variação no coeficiente isotópico, dando resultados mais próximos dos obtidos experimentalmente, em contraste daqueles obtidos na teoria de Migdal-Eliashberg, sem correções de vértice.

O objetivo desta dissertação é estudar os efeitos estruturais e eletrônicos em fulerenos menores e C60 causados pela dopagem substitucional com boro e nitrogênio para aplicações em eletrônica molecular. Estudamos as propriedades eletrônicas e estruturais de possíveis retificadores moleculares formados por pares de fulerenos menores dopados com boro e nitrogênio. A molécula C@C59N foi estudada e suas propriedades estruturais e eletrônicas comparadas com as do endofulereno N@C60. No estudo da dopagem dos fulerenos utilizamos o método semiempírico Parametric Method 3 (PM3). Foram calculadas as geometrias de equilíbrio e os calores de formação, que serviram para investigar a estabilidade relativa dessas moléculas. Para cada dopante identificamos os sítios de substituição que mais favorecem à estabilidade termodinâmica das moléculas. Dentre todos os fulerenos menores estudados os isômeros do C5o atingiram a maior estabilidade quando comparados com o C60. Com os pares de moléculas mais estáveis obtidas no trabalho anterior, montamos os retificadores em uma estrutura do tipo D-ponte-A, onde D e A representam doador e aceitador de elétrons. Para as moléculas isoladas, calculamos as estruturas eletrônicas através da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) com o funcional BLYP e a base 6-31G*. No caso dos pares usamos o método DFT com o funcional BSLYP e a base 3-21G* para obter as geometrias de equilíbrio e as estruturas eletrônicas. Aplicando um campo elétrico sobre as moléculas, investigamos a facilidade de transferência de cargas entre fulerenos. Concluímos que fulerenos menores possuem um grande potencial para construção de um diodo molecular. As propriedades da molécula hipotética C@C59N foram comparadas com as bem Conhecidas C60, C59N e N@C60. A energia de ligação por átomo da molécula é comparável às energias de ligação dos outros fulerenos, em particular do seu isômero N@C60. Devido à tendência dos azafulerenos em formar dímeros, verificamos a estabilidade da molécula N@C60 quando comparada com o dímero N@C60 )2. . Tanto as geometrias quanto as estruturas eletrônicas foram calculados via DFT, BSLYP/6-31G*. Concluímos deste estudo que a molécula C@Ge¡/ é estável energeticamente, como também a interessante possibilidade do uso do dímero (C@C59N)2 como um bit quântico. / The present dissertation is devoted to the study of the effects on small fullerenes and 060 caused by the substitutional doping of boron and nitrogen for applications in molecular electronics. Electronic and structural properties of molecular rectifiers formed by small fullerenes doped with boron and nitrogen have been studied. The molecule C@C59 N has been investigated and its structural and electronic properties compared with those of the endofullerene N@C60 To study the doping of the fullerenes we used the semiempirical method Para­ metric Method 3 (PM3). Ground state conformations and heats of formation were obtained and used to investigate the relative molecular stability. We indentified the most favorable molecular substitution sites for the thermodynamic stability of each dopant. Among all small fullerenes investigated, the isomers of C50reached the largest stability when compared with 060 Molecular rectifiers with a structure of the type D-bridge-A, where D and A indicate electron donor and acceptor, respectively, were built with the most stable pairs found in the previous part of. The Density Functional Theory (DFT) with the functional BLYP and the base 6-31G* was used to calculate the electronic struc­ tures of the isolated molecules. Geometry optimizations and electronic structures of the pairs, were carried by DFT, B3LYP j3 21G*, method. The asymmetry of the charge transfer was assessed through the application of an externai electric field. We concluded that small fullerenes are promising candidates for the construction of molecular rectifiers. The properties of the hypothetical molecule C@C59 N were compared with those well known C60 , C59 N e N@C60 molecules. The binding energy of this molecule is comparable with that of the other fullerenes, in particular with that of its isomer N@C60 Due to the tendency of the azafullerene in forming dimers, the stability of the dimer (C@C59 N)2 was investigated. The molecular conformations and the electronic structures were obtained by the DFT, B3LYP/6-31G*, method. We con­ cluded that (C@C59 N) 2 molecule should be as stable as the azafullerene dimer. Our results point to the interesting possibility of using this system as a quantum bit.

Orientador: Douglas Soares Galvão / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-10T00:38:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Troche_KarlaSouza_D.pdf: 4475542 bytes, checksum: 174644e87f1d2a1a584c4b840a379b95 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho apresenta o estudo teórico de nano-estruturas de carbono de interesse em nanociência. Ele envolve o estudo estrutural, eletrônico e mecânico de estruturas híbridas que são o resultado do encapsulamento de moléculas de carbono (em nosso caso: fulerenos e diamondóides) inseridas em nanotubos de carbono. Utilizando métodos clássicos de Dinâmica Molecular fizemos um estudo do ordenamento molecular dos fulerenos de simetria esférica como o C 60, fulerenos assimétricos C 70 e C78 e diamondóides. Para observar à dependência da ordenação molecular na simetria cilíndrica com o tamanho do nanotubo de carbono e simetria molecular da molécula inserida. Com simulações de dinâmica molecular investigamos as mudanças das propriedades mecânicas de nanotubos de carbono quando são preenchidos com moléculas de C60 e diamondoides. Previmos as mudanças no material e características promissoras das estruturas híbridas. Aplicamos o método Tight-binding baseado na teoria do funcional da densidade para determinar as propriedades eletrônicas dos novos híbridos Fulerenos@nanotubo de carbono. Previmos mudanças nas propriedades e potenciais aplicações em nanotecnologia / Abstract: This work presents a theoretical study of carbon nanostructures with great interest in nanoscience world. It is about the structural, electronic and mechanical study of hybrid structures that result from encapsulation of carbon molecules (fullerenes and diamondoids) introduced inside carbon nanotubes. Using classical methods of molecular dynamics we performed a study of molecular ordering of fullerenes with spherical geometry, C60, asymmetric fullerenes C70 and C78 and diamondoids. We observed dependence of the molecular ordering on cylindrical geometry with the carbon nanotube size and the geometry of the inserted molecule. Through molecular dynamics simulations, we investigated the change on mechanical properties of carbon nanotubes when filled with C60 molecules and diamondoids. We also predict changes on the material and promising characteristics of hybrid structures. We applied the Tight-binding method based on the theory of density functional to determine the electronic properties of the new hybrid fullerenes@carbon nanotube. We predict interesting properties and powerful applications on nanotechnology / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Recentemente, tem sido questionada a validade do teorema de Migdal nos fuieretos dopados supercondutores. Motivados por esse problema, realizamos nesta dissertação uma revisão das propriedades físicas destes novos e notáveis materiais: os fulerenos e outros representantes desta família de compostos orgânicos que possuem estrutura geométrica de gaiola fechada. Em primeiro lugar abordamos, ainda que de maneira sucinta, alguns fundamentos da teoria microscópica BCS (Bardeen, Cooper e Schrieffer, 1961) da supercondutividade, tais como o problema da instabilidade do líquido de Fermi, a formação de pares de Cooper, o método da transformação canônica para demonstrar o aparecimento da interação efetiva atrativa entre os elétrons do par, as equações de Gor'kov demonstrando o surgimento do gap supercondutor, e a expressão BCS da temperatura crítica no limite de acoplamento fraco. Após, revisamos o trabalho realizado por Grimaldi, Cappelluti e Pietronero (1995), sobre a supercondutividade não adiabática nos fuieretos dopados, no qual são feitas correções de vértice para a interação elétron-fônon, usando o método perturbativo. Naquele trabalho eles utilizam um modelo de fônons de Einstein com uma única freqüência para caracterizar a função espectral de Eliashberg, necessária para obter tais correções de vértice Nossa proposta neste trabalho é generalizar este modelo por um constituído de várias Lorentzianas truncadas, centradas nas freqüências dos principais modos de vibração da rede cristalina: os intermoleculares, os ópticos e os intramoleculares. Encontramos como resultado deste estudo que as correções de vértice, com contribuição multifonônica, introduzem modificações substancias como um aumento da temperatura crítica e variação no coeficiente isotópico, dando resultados mais próximos dos obtidos experimentalmente, em contraste daqueles obtidos na teoria de Migdal-Eliashberg, sem correções de vértice.

Orientador: Fernando Alvarez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-04T02:14:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DroppaJunior_Roosevelt_D.pdf: 3953569 bytes, checksum: 5a007bee5cd4c884e234f80f9cc54757 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: A proposta deste trabalho é sintetizar e caracterizar química e estruturalmente nanotubos e fulerenos contendo nitrogênio. A síntese tanto das amostras de nanotubos como das amostras de fulerenos foi feita pela técnica de arco elétrico em atmosferas contendo nitrogênio gasoso. A análise das amostras de nanotubos nitrogenados por microscopia eletrônica mostra que a concentração de nitrogênio gasoso durante a síntese influencia na incorporação de átomos desse elemento por estruturas de carbono que dão origem aos nanotubos. Estes, quando contêm átomos de nitrogênio na sua composição, têm forma de bambu, diferentemente dos nanotubos gerados na ausência de nitrogênio. Análises por Espectroscopia de Elétrons Fotoemitidos (XPS) indicam que amostras de nanotubos assim produzidas de fato contêm nitrogênio e que parte dos átomos desse elemento estão ligados substitucionalmente em redes grafíticas. Dados de Espectroscopia de Elétrons Inelasticamente Espalhados (EELS) mostram que os átomos de nitrogênio se concentram nas paredes dos nanotubos com forma de bambu e simulações computacionais mostram o papel do nitrogênio na formação dessas estruturas. Amostras de nanotubos nitrogenados também foram submetidas a análise por espectroscopia Raman. Ao mesmo tempo em que essas amostras foram irradiadas com laser de potências variadas, espectros Raman foram coletados fornecendo informações a respeito da ordem estrutural e da pureza relativa das amostras. Tais informações complementam de modo coerente os dados de microscopia eletrônica. Ainda em relação aos nanotubos, foram realizadas medidas de eletroemissão em um sistema com geometria de capacitor plano. Verificou-se que os nanotubos nitrogenados são tão bons emissores quanto aqueles de parede única (não-nitrogenados). Observou-se ainda que o nitrogênio influencia o comportamento do fator de estrutura dos nanotubos, no entanto, a razão disso ainda não está muito clara. Relativamente aos fulerenos, foram obtidos dados de espectrometria de massas que indicam a presença de fulerenos nitrogenados, ou nitrofulerenos, nas amostras sintetizadas em presença de nitrogênio. Suas massas moleculares estão em torno de 523 u.m.a.. Cálculos teóricos [ 30 ] indicam que é possível a existência de tais moléculas (cuja massa prevista é de 522 u.m.a.), já que possuem calor de formação comparável ao dos fulerenos C60. Dados de XPS confirmam a presença de nitrogênio também nessas amostras. A coerência dos resultados experimentais e teóricos sugere fortemente que estamos na direção certa na busca dos heterofulerenos / Abstract: This thesis work aims to synthesize and to characterize structural and chemically nanotubes and fullerenes containing nitrogen. Both nanotubes and fullerenes syntheses were performed using an arc-discharge system filled with gaseous mixtures of He e N2. Electron microscopy samples analysis shows that N2 concentration inside the arc-discharge chamber influences the nitrogen incorporation into the carbon structures that give rise to the nanotubes. Those ones containing N atoms in their composition have a bamboo-like aspect in contrast to those generated in absence of nitrogen gas. XPS analyses indicate that nanotube samples generated in N rich atmospheres in fact have nitrogen in their composition and part of N atoms are substitutionally bonded in graphitic sites. EELS data show that N atoms are preferentially bonded in the bamboo-like nanotubes and computational simulations show the role these N atoms play in the formation of these structures. Nitrogenated nanotube samples were also analyzed by Raman spectroscopy. As the samples were irradiated by the Raman laser at different powers, Raman spectra were collected. Such spectra gave information about the structural order and relative purity of the samples. This information coherently complements the electron microscopy data. It was also performed field emission measurements of the nitrogenated nanotube samples. It was verified that such structures are as good emitters as single wall nanotubes (non-nitrogenated ones). It was also observed that nitrogen influences the behavior of the nanotubes structure factor, however, it was not clear yet why this is so. Finally, it was obtained mass spectrometry data of the fullerenes samples. These data indicate the presence of nitrogenated fullerenes or "nitrofullerenes" in the samples generated in nitrogen rich atmosphere. Their molecular masses are around 523 a.m.u.. Theoretical calculations [ 30] also indicate that the existence of such molecules (whose molecular mass is 522 a.m.u.) is possible, since their heat of formation is comparable to that of the C 60fullerenes. XPS data also confirm that there is nitrogen in these samples. The coherence of the experimental as well as the theoretical results strongly suggests that our quest for the heterofullerenes is in the right direction / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientadores: Ana Flávia Nogueira, Valtencir Zucolotto / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-22T02:59:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida_LuizCarlosPimentel_D.pdf: 6880507 bytes, checksum: f7a2c24853f25411226ae9b66a2de97b (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: Neste trabalho foram estudados filmes finos multicamadas baseados em polímeros condutores, nanotubos de carbono e um derivado de fulereno. Esses filmes foram depositados pela técnica de deposição camada por camada (LbL) via interações eletrostáticas. Esse trabalho está dividido em duas partes: 1-) Filmes LbL baseados no polímero conjugado poli(p-fenilenovinileno) (PPV) e nanotubos de carbono de parede única funcionalizados com grupos carboxílicos (SWNTCOOH) foram preparados em arquitetura de bloco, caracterizados e aplicados como fotoeletrodos em células solares fotoeletroquímicas. A morfologia desses filmes foi avaliada por microscopia de força atômica (AFM) e de epifluorescência, as quais indicaram uma variação morfológica significativa dos filmes após adição de camadas de nanotubos de carbono. A transferência de carga fotoinduzida do polímero condutor PPV para o SWNT-COOH foi analisada por supressão de fotoluminescência (PL). A caracterização fotoeletroquímica foi realizada sob irradiação de luz branca e os fotoeletrodos contendo SWNT-COOH apresentaram valores de fotocorrente de até 7,5 mA cm. A fotocorrente aumentou e tornou-se mais estável quando uma camada do polímero poli(3,4-etilenodioxitiofeno) dopado com poli(4-sulfonato de estireno) (PEDOT:PSS) foi depositada entre o eletrodo ITO e o filme LbL. 2-) Foram preparados filmes LbL baseados no polímero conjugado poli[2-(3-tienil)-etoxi-4-butilsulfonato] de sódio (PTEBS) e no derivado de fulereno C60-F. A caracterizacao fotofísica mostrou a ocorrência de transferência fotoinduzida de carga do PTEBS para o C60-F, a qual foi também demonstrada por meio da geração de fotocorrente obtida quando os filmes (PTEBS/C60-F) foram aplicados como fotoeletrodos em células solares fotoeletroquímicas. Os resultados obtidos fazem dos filmes LbL baseados em semicondutores orgânicos candidatos promissores para conversão de energia solar. / Abstract: In this work, multilayer thin films based on conducting polymers, carbon nanotubes and fullerene derivatives were studied. These films were fabricated by layer-by-layer deposition technique (LbL) through electrostatic interactions. This work is divided in two parts: 1-) LbL films composed of a conducting polymer poly(p-phenylenevinylene) (PPV) and carboxylic acid functionalized singlewalled carbon nanotubes (SWNT-COOH) were prepared in a block architecture, characterized and applied as electrodes in photoelectrochemical solar cells. Film morphology was evaluated by atomic force and epifluorescence microscopies, showing remarkable changes after incorporation of SWNT-COOH layers. The photoinduced charge transfer from the conducting polymer to SWNT-COOH was analyzed by photoluminescence (PL) quenching. Photoelectrochemical characterization was performed under white light and the films containing SWNTCOOH displayed photocurrent values up to 7.5 mA cm. Photocurrent generation was enhanced and became more stable when an intermediate layer of poly(3,4- ethylenedioxythiophene)¿poly(4-styrenesulfonic acid) (PEDOT:PSS) was interposed between the ITO electrode and LbL films. 2-) LbL films based on the conducting polymer sodium poly[2-(3-thienyl)-ethoxy-4-butylsulfonate] (PTEBS) and fullerene derivative C60-F were fabricated. Photophysical characterization shows the occurrence of photoinduced charge transfer from PTEBS to C60-F, which was also demonstrated by photocurrent generation obtained when (PTEBS/C60-F) multilayer films were applied as electrodes of photoelectrochemical solar cells. All these results make the LbL films based on organic semiconductors promising canditates towards solar energy conversion. / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Ciências

Neste trabalho estuda-se a formação de novas fases de carbono amorfo através da irradiação iônica de filmes de fulereno, a-C e a-C:H polimérico. Os efeitos da irradiação iônica na modificação das propriedades ópticas e mecânicas dos filmes de carbono irradiados são analisados de forma correlacionada com as alterações estruturais a nivel atômico. O estudo envolve tanto a análise dos danos induzidos no fulereno pela irradiação iônica a baixas fluências, correspondendo a baixas densidades de energia depositada, quanto a investigação das propriedades físico-químicas das fases amorfas obtidas após irradiações dos filmes de fulereno, a-C e a-C:H com altas densidades de energia depositada. As propriedades ópticas, mecânicas e estruturais das amostras são analisadas através de técnicas de espectroscopia Raman e infravermelho, espectrofotometria UV-VIS-NIR, microscopias ópticas e de força atômica, nanoindentação e técnicas de análise por feixe de íons, tais como retroespalhamento Rutherford e análises por reação nuclear. As irradiações produzem profundas modificações nas amostras de fulereno, a-C e a-C:H, e por conseqüência significativas alterações em suas propriedades ópticas e mecânicas. Após máximas fluências de irradiação fases amorfas rígidas (com dureza de 14 e 17 GPa) e com baixos gaps ópticos (0,2 e 0,5 eV) são formadas. Estas estruturas não usuais correspondem a arranjos atômicos com 90 a 100% de estados sp2. Em geral fases sp2 são planares e apresentam baixa dureza, como predito pelo modelo de “cluster”. Entretanto, os resultados experimentais mostram que as propriedades elásticas das novas fases formadas são alcançadas através da criação de uma estrutura sp2 tridimensional. A indução de altas distorções angulares, através da irradiação iônica, possibilita a formação de anéis de carbono não hexagonais, tais como pentágonos e heptágonos, permitindo assim a curvatura da estrutura. Utilizando um modelo de contagem de vínculos é feita uma análise comparativa entre a topologia (estrutura geométrica) de ligações C-sp2 e as propriedades nanomecânicas. São comparados os efeitos de estruturas sp2 planares e tridimensionais (aleatórias) no processo de contagem de vínculos e, conseqüentemente, nas propriedades elásticas de cada sistema. Os resultados mostram que as boas propriedades mecânicas das novas fases de carbono formadas seguem as predições do modelo de vínculos para uma rede atômica sp2 tridimensional. A formação de uma fase amorfa dura e 100% sp2 representa uma importante conquista na procura de novas estruturas rígidas de carbono. A síntese da estrutura desordenada sp2 tridimensional e vinculada aqui apresentada é bastante incomum na literatura. O presente trabalho mostra que o processo de não-equilíbrio de deposição de energia durante a irradiação iônica permite a formação de distorções angulares nas ligações sp2-C, possibilitando a criação de estruturas grafíticas tridimensionais. / The formation of new carbon amorphous phases through the ion irradiation of fullerene, a-C and polymeric a-C:H films is presented. The ion irradiation effects on the optical and mechanical properties modifications of the irradiated carbon films are analysed and correlated with the structural alterations at the atomic level. This study involves the analysis of the induced damages in C60 by the ion irradiation at low fluences, corresponding to low deposited energy densities, as well as the investigation of the physical and chemical properties in the amorphous phases obtained after irradiation of three carbon films, with high deposited energy densities. The optical, mechanical and structural properties of the samples are analysed through the Raman and FTIR spectroscopy, AFM, nanoindentation and ion beam analysis technniques such as Rutherford backscattering and nuclear reaction analysis. The irradiation produces deep modifications on the C60, a-C and a-C:H films, and, as a consequence, significant alterations in their optical and mechanical properties. After high fluences of irradiation, rigid amorphous phases with hardness of 14-17 GPa and with low optical gaps of 0,2 to 0,5 eV are produced. These unusual structures correspond to atomic arrangements with 90 to 100% of sp2 phases. In general, sp2 phases are organized in planar form and show low hardness, as predicted by the cluster model. However, the experimental results show that the elastic properties of the produced new phases are due to the creation of a three-dimensional sp2 structure. The generated high bond angle distortions by the ion irradiation induces the formation of non hexagonal carbon rings, such as pentagons and heptagons, allowing therefore the formation of curved sp2 structures. A comparative analysis between the C-sp2 bonds topology (geometric structure) and the nanomechanic properties is made using a constraint-counting model. The effect of the flat and three-dimensional (aleatory) sp2 structures on the counting of the constraints and consequently on the elastic properties of each system are analysed. The results show that the improved mechanical properties of the newly produced carbon phases follow the predictions of the constraint-counting model for an atomic three-dimensional sp2 network. The formation of a hard and 100% amorphous phase represents an important conquest in the search of new rigid carbon structures. The synthesis of a three-dimensional and constrainted sp2 disordered structure presented here is uncommon in the literature. Our work shows that the non-equilibrium process of energy deposition during ion irradiation allows the formation of angular distortions on the sp2-C bonds, making the creation of three-dimensional graphite structures possible.

Neste trabalho estuda-se a formação de novas fases de carbono amorfo através da irradiação iônica de filmes de fulereno, a-C e a-C:H polimérico. Os efeitos da irradiação iônica na modificação das propriedades ópticas e mecânicas dos filmes de carbono irradiados são analisados de forma correlacionada com as alterações estruturais a nivel atômico. O estudo envolve tanto a análise dos danos induzidos no fulereno pela irradiação iônica a baixas fluências, correspondendo a baixas densidades de energia depositada, quanto a investigação das propriedades físico-químicas das fases amorfas obtidas após irradiações dos filmes de fulereno, a-C e a-C:H com altas densidades de energia depositada. As propriedades ópticas, mecânicas e estruturais das amostras são analisadas através de técnicas de espectroscopia Raman e infravermelho, espectrofotometria UV-VIS-NIR, microscopias ópticas e de força atômica, nanoindentação e técnicas de análise por feixe de íons, tais como retroespalhamento Rutherford e análises por reação nuclear. As irradiações produzem profundas modificações nas amostras de fulereno, a-C e a-C:H, e por conseqüência significativas alterações em suas propriedades ópticas e mecânicas. Após máximas fluências de irradiação fases amorfas rígidas (com dureza de 14 e 17 GPa) e com baixos gaps ópticos (0,2 e 0,5 eV) são formadas. Estas estruturas não usuais correspondem a arranjos atômicos com 90 a 100% de estados sp2. Em geral fases sp2 são planares e apresentam baixa dureza, como predito pelo modelo de “cluster”. Entretanto, os resultados experimentais mostram que as propriedades elásticas das novas fases formadas são alcançadas através da criação de uma estrutura sp2 tridimensional. A indução de altas distorções angulares, através da irradiação iônica, possibilita a formação de anéis de carbono não hexagonais, tais como pentágonos e heptágonos, permitindo assim a curvatura da estrutura. Utilizando um modelo de contagem de vínculos é feita uma análise comparativa entre a topologia (estrutura geométrica) de ligações C-sp2 e as propriedades nanomecânicas. São comparados os efeitos de estruturas sp2 planares e tridimensionais (aleatórias) no processo de contagem de vínculos e, conseqüentemente, nas propriedades elásticas de cada sistema. Os resultados mostram que as boas propriedades mecânicas das novas fases de carbono formadas seguem as predições do modelo de vínculos para uma rede atômica sp2 tridimensional. A formação de uma fase amorfa dura e 100% sp2 representa uma importante conquista na procura de novas estruturas rígidas de carbono. A síntese da estrutura desordenada sp2 tridimensional e vinculada aqui apresentada é bastante incomum na literatura. O presente trabalho mostra que o processo de não-equilíbrio de deposição de energia durante a irradiação iônica permite a formação de distorções angulares nas ligações sp2-C, possibilitando a criação de estruturas grafíticas tridimensionais. / The formation of new carbon amorphous phases through the ion irradiation of fullerene, a-C and polymeric a-C:H films is presented. The ion irradiation effects on the optical and mechanical properties modifications of the irradiated carbon films are analysed and correlated with the structural alterations at the atomic level. This study involves the analysis of the induced damages in C60 by the ion irradiation at low fluences, corresponding to low deposited energy densities, as well as the investigation of the physical and chemical properties in the amorphous phases obtained after irradiation of three carbon films, with high deposited energy densities. The optical, mechanical and structural properties of the samples are analysed through the Raman and FTIR spectroscopy, AFM, nanoindentation and ion beam analysis technniques such as Rutherford backscattering and nuclear reaction analysis. The irradiation produces deep modifications on the C60, a-C and a-C:H films, and, as a consequence, significant alterations in their optical and mechanical properties. After high fluences of irradiation, rigid amorphous phases with hardness of 14-17 GPa and with low optical gaps of 0,2 to 0,5 eV are produced. These unusual structures correspond to atomic arrangements with 90 to 100% of sp2 phases. In general, sp2 phases are organized in planar form and show low hardness, as predicted by the cluster model. However, the experimental results show that the elastic properties of the produced new phases are due to the creation of a three-dimensional sp2 structure. The generated high bond angle distortions by the ion irradiation induces the formation of non hexagonal carbon rings, such as pentagons and heptagons, allowing therefore the formation of curved sp2 structures. A comparative analysis between the C-sp2 bonds topology (geometric structure) and the nanomechanic properties is made using a constraint-counting model. The effect of the flat and three-dimensional (aleatory) sp2 structures on the counting of the constraints and consequently on the elastic properties of each system are analysed. The results show that the improved mechanical properties of the newly produced carbon phases follow the predictions of the constraint-counting model for an atomic three-dimensional sp2 network. The formation of a hard and 100% amorphous phase represents an important conquest in the search of new rigid carbon structures. The synthesis of a three-dimensional and constrainted sp2 disordered structure presented here is uncommon in the literature. Our work shows that the non-equilibrium process of energy deposition during ion irradiation allows the formation of angular distortions on the sp2-C bonds, making the creation of three-dimensional graphite structures possible.

Submitted by Bruna Andressa Bregadiolli null (brunabregadiolli@hotmail.com) on 2016-11-14T15:01:32Z No. of bitstreams: 1 these Bruna final revisada.pdf: 6701827 bytes, checksum: ff6657984f5cc54c2e587577fbdcfe83 (MD5) / Approved for entry into archive by Juliano Benedito Ferreira (julianoferreira@reitoria.unesp.br) on 2016-11-21T12:28:44Z (GMT) No. of bitstreams: 1 bregadiolli_ba_dr_bauru.pdf: 6701827 bytes, checksum: ff6657984f5cc54c2e587577fbdcfe83 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-11-21T12:28:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 bregadiolli_ba_dr_bauru.pdf: 6701827 bytes, checksum: ff6657984f5cc54c2e587577fbdcfe83 (MD5) Previous issue date: 2016-09-20 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Ce travail vise à étudier et à développer des matériaux pour des applications dans les cellules solaires de troisième génération. Les matériaux synthétisés sont des dérivés de fullerène, l'oxyde de titane et des nanoparticules hybride (polymère@oxyde). Les polymères dérivés de fullerène, de type n, ont été conçues pour contenir C60 dans la chaîne principale. Trois produits différents ont été obtenus, en faisant varier la longueur du comonomère en utilisant une nouvelle voie de polymérisation. Les dispositifs photovoltaïques ont été préparés en utilisant la configuration à hétérojonction en vrac et le rendement le plus élevé atteint était de 1,84 %, ce qui représente une performance prometteuses pour un nouveau matériau. Les nanoparticules de dioxyde de titane ont été synthétisés en utilisant la technique hydrothermique assistée par micro-ondes dans différentes conditions de réaction, tels que le pH, la température et le temps, afin d'obtenir ainsi défini nanométrique morphologie, avec des rendements élevés et une grande surface spécifique. En outre, on a étudié l'influence des ions Na+ sur la croissance cristalline des oxydes et morphologies des oxydes, où c'etait obtenu des nanoparticules, des aiguilles et des structures ressemblant des nanotubes. Les nanoparticules hybrides ont été synthétisés en utilisant l'oxyde synthétisé et un polymére, P3HT, fonctionnalisés afin de lier de manière covalente avec les oxydes. Les nanoparticules sont optiquement caractérisés et ont conclu à être possible d'utiliser pour les études de transfert de charge dans les systèmes hybrides. / Este trabalho tem como objetivo estudar e desenvolver materiais para aplicações em células solares de terceira geração. Os materiais sintetizados são derivados de fulereno, óxido de titânio e nanopartículas híbrido (óxido@polímero). Os polímeros derivados de fulereno, de tipo n, foram planejados para conter C60 na cadeia principal. Três produtos diferentes foram obtidos, variando o comprimento da cadeia alquílica do co-monômero utilizando uma nova rota de polimerização. Os dispositivos fotovoltaicos foram preparados utilizando a configuração de heterojunção no volume e a maior eficiência alcançada foi de 1,84 %, o que representa um desempenho promissor para um novo material. As nanopartículas de dióxido de titânio foram sintetizadas usando a técnica hidrotermal assistida por micro-ondas em diferentes condições reacionais, tais como pH, temperatura e tempo, de modo a obter a morfologia nano dimensionada bem definida, rendimentos elevados e alta área superficial. Além disso, estudou-se a influência dos íons Na+ no crescimento cristalino dos óxidos e em sua morfologia, onde foram obtidas nanopartículas, estruturas tipo agulas e estruturas tipo nanotubos. As nanopartículas híbridas foram sintetizadas utilizando os óxidos sintetizados e um polímero, P3HT, funcionalizado de modo a ligar-se covalentemente aos óxidos. As nanopartículas foram opticamente caracterizadas e concluímos que estas podem ser utilizadas para estudar a transferência de carga em sistemas híbridos. / This work aims to study and develop materials for applications in third generation solar cells. The synthesized materials are fullerene derivatives, titanium oxide, and hybrid (polymer@oxide) nanoparticles. The fullerene derivatives, n-type polymers, were designed to contain C60 in the main chain. Different products were obtained, varying the comonomer alkyl length using a new polymerization route discovery in this work. The photovoltaic devices were prepared using the bulk heterojunction configuration and the highest efficiency reached was 1.84 %, representing a very promising performance for a novel material. The titanium dioxide nanoparticles were synthesized using microwave assisted hydrothermal technique in different reaction condition, such as pH, temperature and time, in order to obtain well defined nano-sized morphologies, high yields and high surface areas. Also, it was investigated the influence of the Na+ ions on the crystalline growth and morphologies of the oxides, where nanoparticles, needles and nanotube-like structures were obtained. The hybrid nanoparticles were synthesized using the prepared oxides and a P3HT functionalized in order to bond covalently with the oxides. The nanoparticles were optically characterized and concluded to be possible to use for studies of charge transfer in hybrid systems. / FAPESP: 2011/02205-3 / CAPES: 11216-12-3

Neste trabalho estuda-se a formação de novas fases de carbono amorfo através da irradiação iônica de filmes de fulereno, a-C e a-C:H polimérico. Os efeitos da irradiação iônica na modificação das propriedades ópticas e mecânicas dos filmes de carbono irradiados são analisados de forma correlacionada com as alterações estruturais a nivel atômico. O estudo envolve tanto a análise dos danos induzidos no fulereno pela irradiação iônica a baixas fluências, correspondendo a baixas densidades de energia depositada, quanto a investigação das propriedades físico-químicas das fases amorfas obtidas após irradiações dos filmes de fulereno, a-C e a-C:H com altas densidades de energia depositada. As propriedades ópticas, mecânicas e estruturais das amostras são analisadas através de técnicas de espectroscopia Raman e infravermelho, espectrofotometria UV-VIS-NIR, microscopias ópticas e de força atômica, nanoindentação e técnicas de análise por feixe de íons, tais como retroespalhamento Rutherford e análises por reação nuclear. As irradiações produzem profundas modificações nas amostras de fulereno, a-C e a-C:H, e por conseqüência significativas alterações em suas propriedades ópticas e mecânicas. Após máximas fluências de irradiação fases amorfas rígidas (com dureza de 14 e 17 GPa) e com baixos gaps ópticos (0,2 e 0,5 eV) são formadas. Estas estruturas não usuais correspondem a arranjos atômicos com 90 a 100% de estados sp2. Em geral fases sp2 são planares e apresentam baixa dureza, como predito pelo modelo de “cluster”. Entretanto, os resultados experimentais mostram que as propriedades elásticas das novas fases formadas são alcançadas através da criação de uma estrutura sp2 tridimensional. A indução de altas distorções angulares, através da irradiação iônica, possibilita a formação de anéis de carbono não hexagonais, tais como pentágonos e heptágonos, permitindo assim a curvatura da estrutura. Utilizando um modelo de contagem de vínculos é feita uma análise comparativa entre a topologia (estrutura geométrica) de ligações C-sp2 e as propriedades nanomecânicas. São comparados os efeitos de estruturas sp2 planares e tridimensionais (aleatórias) no processo de contagem de vínculos e, conseqüentemente, nas propriedades elásticas de cada sistema. Os resultados mostram que as boas propriedades mecânicas das novas fases de carbono formadas seguem as predições do modelo de vínculos para uma rede atômica sp2 tridimensional. A formação de uma fase amorfa dura e 100% sp2 representa uma importante conquista na procura de novas estruturas rígidas de carbono. A síntese da estrutura desordenada sp2 tridimensional e vinculada aqui apresentada é bastante incomum na literatura. O presente trabalho mostra que o processo de não-equilíbrio de deposição de energia durante a irradiação iônica permite a formação de distorções angulares nas ligações sp2-C, possibilitando a criação de estruturas grafíticas tridimensionais. / The formation of new carbon amorphous phases through the ion irradiation of fullerene, a-C and polymeric a-C:H films is presented. The ion irradiation effects on the optical and mechanical properties modifications of the irradiated carbon films are analysed and correlated with the structural alterations at the atomic level. This study involves the analysis of the induced damages in C60 by the ion irradiation at low fluences, corresponding to low deposited energy densities, as well as the investigation of the physical and chemical properties in the amorphous phases obtained after irradiation of three carbon films, with high deposited energy densities. The optical, mechanical and structural properties of the samples are analysed through the Raman and FTIR spectroscopy, AFM, nanoindentation and ion beam analysis technniques such as Rutherford backscattering and nuclear reaction analysis. The irradiation produces deep modifications on the C60, a-C and a-C:H films, and, as a consequence, significant alterations in their optical and mechanical properties. After high fluences of irradiation, rigid amorphous phases with hardness of 14-17 GPa and with low optical gaps of 0,2 to 0,5 eV are produced. These unusual structures correspond to atomic arrangements with 90 to 100% of sp2 phases. In general, sp2 phases are organized in planar form and show low hardness, as predicted by the cluster model. However, the experimental results show that the elastic properties of the produced new phases are due to the creation of a three-dimensional sp2 structure. The generated high bond angle distortions by the ion irradiation induces the formation of non hexagonal carbon rings, such as pentagons and heptagons, allowing therefore the formation of curved sp2 structures. A comparative analysis between the C-sp2 bonds topology (geometric structure) and the nanomechanic properties is made using a constraint-counting model. The effect of the flat and three-dimensional (aleatory) sp2 structures on the counting of the constraints and consequently on the elastic properties of each system are analysed. The results show that the improved mechanical properties of the newly produced carbon phases follow the predictions of the constraint-counting model for an atomic three-dimensional sp2 network. The formation of a hard and 100% amorphous phase represents an important conquest in the search of new rigid carbon structures. The synthesis of a three-dimensional and constrainted sp2 disordered structure presented here is uncommon in the literature. Our work shows that the non-equilibrium process of energy deposition during ion irradiation allows the formation of angular distortions on the sp2-C bonds, making the creation of three-dimensional graphite structures possible.