Orientador: Carlos Frederico de Oliveira Graeff / Banca: José Humberto Dias a Silva / Banca: Carlos César Bof Bufon / Banca: Marcelo Mulato / Banca: Paulo Roberto Bueno / Resumo: Atualmente, a eletrônica baseada em materiais orgânicos vem ganhando visibilidade no cenário científico e tecnológico devido à alta flexibilidade mecânica e baixo custo desses materiais. A fabricação de dispositivos eletrônicos baseados em materiais orgânicos e técnicas de baixo custo é um desafio pertinente e atual. Os transistores merecem destaque por serem a base da tecnologia atual. Em especial, uma arquitetura vertical comumente conhecida como VOFET (Transistor Orgânico de Efeito de Campo em Arquitetura Vertical) vem sendo explorada nos últimos anos. Entretanto, um problema comum em VOFETs é o eletrodo intermediário, o qual deve ser permeável a campos elétricos e apresentar baixa resistência de folha utilizando técnicas com baixo custo de produção. Desta forma, na primeira parte deste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um eletrodo intermediário baseado em nanofios de prata utilizando a técnica de baixo custo conhecida como Mayer rod-coating. Os eletrodos otimizados foram aplicados em dispositivos VOFETs, resultando em transistores com densidades de corrente de 2,5 mA/cm2 e razão on/off de 5x103, utilizando tensões de operação de até 2 V. Além dos semicondutores orgânicos comumente sintetizados, corantes naturais também vêm sendo explorados para aplicações em dispositivos eletrônicos. Dentre eles, a melanina desperta atenção por ser um pigmento natural encontrado em vários sistemas biológicos. No corpo humano a melanina é responsável por funções como pigmentação,... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Currently, electronics based on organic materials has been acquiring visibility in the scientific and technological scenario due to the high mechanical flexibility and low-cost of these materials. The fabrication of electronic devices based on organic materials and low-cost techniques is a relevant and current challenge. Transistors deserve attention because they are the base of our current technology. In particular, a vertical architecture commonly known as VOFET (Vertical Organic Field Effect Transistor) has been explored in recent years. However, a common issue in VOFET structure is the intermediate electrode, which must be permeable to electric fields with low sheet resistance using low-cost production techniques. Thus, in the first part of this work, the development of an intermediate electrode based on silver nanowires using the low-cost technique known as Mayer rod-coating is presented. The optimized electrodes were applied in VOFETs, resulting in devices with current densities of 2.5 mA/cm2 and on/off ratio of 5x103, using operating voltages up to 2 V. Apart from to the organic semiconductors commonly synthesized, natural dyes are also being explored in organic electronics. Among them, melanin deserves attention because it is a natural pigment found in several biological systems. In the human body melanin is responsible for functions such as pigmentation, photoprotection and thermoregulation. The humidity-dependent electrical response associated with the high biocompa... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Orientador: Alexandre José de Castro Lanfredi. / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados.

Submitted by Thais Silva do Amaral null (thais_rpss@yahoo.com) on 2016-06-03T19:14:32Z No. of bitstreams: 1 Thais Silva do Amaral-Dissertação.pdf: 3804617 bytes, checksum: 8083e47078da73695bac6f8aa62e3778 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-06-08T13:24:26Z (GMT) No. of bitstreams: 1 amaral_ts_me_araiq_par.pdf: 1221750 bytes, checksum: e72ea0e2cee4ebb7654b4a0d18d9289f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-08T13:24:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 amaral_ts_me_araiq_par.pdf: 1221750 bytes, checksum: e72ea0e2cee4ebb7654b4a0d18d9289f (MD5) Previous issue date: 2015-05-12 / Polímeros derivados do petróleo como polietileno tereftalato (PET) e polietileno naftalato (PEN), são utilizados em larga escala como substratos em diversos dispositivos eletrônicos. A crescente preocupação com o meio ambiente nos leva a buscar alternativas sustentáveis na utilização de materiais para fabricação de novas tecnologias. Neste trabalho, com o intuito de avaliar a viabilidade da substituição destes substratos por polímeros naturais, foi explorada uma biocelulose, a celulose bacteriana (CB), secretada por bactérias Acetobacter xylinum, que é um polímero de obtenção ―verde‖, não gerando resíduos ou altos impactos ambientais para ser produzida, além de possuir características desejáveis para ser utilizado como substrato em novos materiais, como resistência mecânica com módulo de Young de 134 GPa, tamanho nanométrico das fibras e transparência. Membranas funcionais foram obtidas pelo crescimento de nanofios de óxido de zinco na sua superfície. Os nanofios de ZnO foram obtidos com comprimento médio de 1,69 ± 0,08 μm e diâmetro de 37,2 ± 4,2 nm. Os materiais foram avaliados estruturalmente pela Difratometria de Raios-x (DRX) e Microscopia Eletrônica de Transmissão de Alta Resolução (HRTEM), e quimicamente utilizando Espectroscopia de Espalhamento Raman e Espectroscopia Vibracional na Região do Infravermelho (FT-IR). Também foram realizadas de medidas de Impedância Elétrica e Análise termogravimétrica (TG/DTG). Por fim os materiais foram testados em três diferentes aplicações: como membrana para fotodegradação de corantes, sensor piezoelétrico e substrato removível para obtenção de fios de ZnO não suportados que se mostraram aplicações viáveis para o material. / Petroleum-derived polymers such as Polyethylene Terephthalate (PET) and Polyethylene Naphthalate (PEN), are largely used as substrates in various electronic devices. The growing concern with the environment leads us to seek sustainable alternatives in the use of materials for the manufacture of new technologies. In this work, in order to assess the feasibility of replacing these substrates by natural polymers, bacterial cellulose (BC) was explored, secreted by bacteria Acetobacter xylinum is a ―green‖ polymer that don’t generate waste or high environmental impacts to be produced, and has desirable characteristics for use as new substrate materials, such as mechanical strength with Young's modulus of 134 Gpa, nano-sized fibers and transparency. Functional membranes were prepared by growing ZnO nanowires on the BC dried membranes surface. The obtained ZnO nanowires presented an average length of 1.69 ± 0.08 m and diameter of 37.2 ± 4.2 nm. Materials were evaluated structurally by X-ray Diffraction (XRD) and High-resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM), chemically using Raman Scattering spectroscopy and Vibrational Spectroscopy in the Infrared Region (FT-IR). Electrical Impedance measurements and thermal gravimetric analysis (TG / DTG) were performed as well. Finally the materials were tested in three different applications: as a membrane for dyes photodegradation, piezoelectric sensor and removable substrate for obtaining unsupported ZnO nanowires that are viable applications for the material.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this work we used the density functional theory to study InAs and InP nanowires and InAs/InP nanowire heterostructures. Initially we studied the structural, electronic and mechanical properties of InAs and InP nanowires as a function of the diameter and the influence of external mechanical stress on the electronic properties of these systems. Our results show that all analyzed properties change with increasing quantum confinement. Further, the application of an external stress along the nanowire axis reveals a direct to indirect band gap transition for compressive strain in very thin nanowires. We have also studied the quantum confinement effects on the effective masses of charge carriers in InAs nanowires grown in different crystallographic directions. We found the electron and hole effective masses increase with decreasing diameter independently of the growth direction. However, in the range of the studied diameters, the hole effective mass is significantly smaller to the corresponding one at the bulk system. From the study of the stability and electronic properties of the cadmium and zinc doped InAs nanowires, we show that the Cd impurity prefers to be at the core region, whereas Zn impurity is found to be equally distributed along the nanowire diameter. The analysis of the electronic properties of these systems show that these impurities introduce shallow acceptor levels in the band gap, enabling a p-type behavior of these nanowires. Finally, we determined (i) the structural, electronic and mechanical properties of axially and radially modulated InAs/InP nanowire heterostructures for a specific diameter and (ii) the structural and electronic properties of radial InAs/InP nanowire heterostructures as a function of the diameter and composition. From (i), our calculations showed the analyzed properties have an intermediate value between those for the pure InAs and InP nanowires with similar diameters. In particular, the presence of an InP shell covering the InAs nanowires enhances the InAs electron mobility, as compared to the uncapped InAs nanowires. In addition, for the radial heterostructure, the conduction and the valence band alignments favor a type-I heterojunction, while for the axial heterostructure a transition from a type-I to a type-II heterojunction could occur at this range of diameters. From (ii), we observed that for nanowire heterostrutures of similar diameters, the variation of their structural and electronic properties with the composition possesses significant deviations from the linear behavior, which are dependent of the nanostructure diameter. The conduction band offset is approximately zero and the valence band offset decrease regardless of diameter and composition of the heterostructure. / Neste trabalho realizamos um estudo teórico, baseado na teoria do funcional da densidade, em nanofios de InAs e InP e em heteroestruturas de nanofios InAs/InP. Inicialmente estudamos a variação das propriedades estruturais, eletrônicas e mecânicas com o diâmetro em nanofios de InAs e InP, e as possíveis alterações nas propriedades eletrônicas destes sistemas sob a influência de uma tensão mecânica externa. Nossos resultados mostram que todas as propriedades analisadas são alteradas com o aumento do confinamento quântico. Além disso, a aplicação de uma tensão externa ao longo do eixo de crescimento dos fios leva a uma transição de gap direto para indireto nos nanofios de menores diâmetros. A seguir, avaliamos os efeitos do confinamento quântico na massa efetiva dos portadores de carga em nanofios de InAs crescidos em diferentes direções cristalográficas. Encontramos que as massas efetivas dos elétrons e dos buracos aumentam com a redução do diâmetro, independentemente da direção de crescimento dos nanofios. Contudo, no intervalo de diâmetro estudado, a massa efetiva dos buracos nos nanofios é significativamente menor do que a massa efetiva dos buracos no cristal. Do estudo da estabilidade e das propriedades eletrônicas de nanofios de InAs dopados substitucionalmente com cádmio e zinco observamos que, independentemente do diâmetro dessas nanoestruturas, as impurezas de Cd são mais estáveis quando estão no centro do nanofio, enquanto que as impurezas de Zn se distribuem quase que uniformemente ao longo do diâmetro do fio. Do ponto de vista eletrônico, observamos que estas impurezas introduzem níveis aceitadores rasos no gap de energia desses materiais possibitando um comportamento tipo-p desses nanofios. Por fim, determinamos: (i) as propriedades estruturais, eletrônicas e mecânicas de heteroestruturas axiais e radiais de nanofios InAs/InP para um determinado diâmetro; e (ii) as propriedades estruturais e eletrônicas de heteroestruturas radiais InAs/InP como uma função do diâmetro e da composição. Em (i), nossos resultados mostram que as propriedades analisadas possuem valores intermediários entre aqueles dos nanofios de InAs e InP de mesmo diâmetro. Em particular, observamos que a presença de uma camada de InP sobre nanofios de InAs aumenta significativamente sua mobilidade eletrônica quando comparada com a de um nanofio de InAs puro. Além disso, na heteroestrutura radial, o alinhamento das bandas de condução e das bandas de valência favorece uma heteroestrutura do tipo I, enquanto que na heteroestrutura axial, uma transição de uma heteroestrutura do tipo I para uma heteroestrutura do tipo II poderá ocorrer neste intervalo de diâmetros. Em (ii), para as heteroestruturas com diâmetros similares, observamos que a variação de suas propriedades estruturais e eletrônicas com a composição possui desvios significativos do comportamento linear, sendo estes dependentes do diâmetro dessas nanoestruturas. O descasamento da banda de condução é aproximadamente nulo enquanto que o descasamento da banda de valência diminui independente do diâmetro e da composição da heteroestrutura.

Foram feitos estudos das propriedades magnéticas e estruturais em nanofios de níquel em uma lâmina de alumínio. As amostras foram obtidas através da anodização em duas etapas, seguida de uma eletrodeposição AC. Foi verificado que o aumento do potencial usado nas anodizações acarretam em um aumento do tamanho dos grãos cristalinos de níquel e dos diâmetros dos nanofios. O tamanho dos grãos de níquel e dos diâmetros dos nanofios variaram, respectivamente, entre 10 a 20 nm e 30 a 50 nm. As amostras apresentam alta anisotropia de forma, com coercividade entre 565 a 725 Oe. As interações magnéticas foram estudadas através das curvas `delta´M, estas mostraram que as interações desmagnetizantes são dominantes nestes sistemas. O modelo de Stoner-Wohlfarth, acréscido de um termo de interação foi utilizado para simular e interpretar o comportamento magnético dos nanofios. Através dos resultados numéricos e experimentais foi verificado que a componente reversível (Mrev) da magnetização independe do estado inicial do sistema, diferentemente do comportamento para a componente irreversível (Mirr). Através da análise das curvas de Mrev(Mirr)Hi , provenientes dos resultados numéricos e experimentais, foi verificado que existe um forte indicativo quanto ao modo de inversão da magnetização por curling, para nanofios / Studies of magnetic and structural properties of nickel nanowires deposited on nanoporous alumina membranes were carried out. The samples were obtained by a two-step anodization, followed by an AC electrodeposition. It was noted that the diameters of the nanowires and the crystalline grain size of the deposited nickel increase with the anodization voltage. The mean diameters and the grain sizes varied from 10 to 20 nm and from 30 to 50 nm, respectively. The samples exhibited a strong shape anisotropy, with coercivities between 565 and 725 Oe. Magnetic interactions were studied via `delta´M curves, which showed that the dominant interactions are rather demagnetizing in these systems. An interacting Stoner-Wohlfarth model was developed to simulate and reproduce the magnetic behavior of the nanowires. From the comparison between numerical and experimental results (which exhibit excellent agreement), it was noted that reversible components of magnetization (Mrev) do not depend on the initial state of the system, whereas irreversible components (Mirr) do. From the analysis of Mrev(Mirr)Hi curves of numerical and experimental results, it was noted that there is strong evidence for the curling magnetization reversal mode for these systems

Neste trabalho foi feito um estudo do comportamento magnético de cristais líquidos liotrópicos de laurato de potássio dopados com nanopartículas de magnetita. Medidas zero-field cooling (ZFC) e field cooling (FC) com campos de 50 Oe mostram que as nanopartículas magnéticas permanecem bloqueadas a temperatura ambiente devido à presença das micelas do cristal, e apresentam um comportamento superparamagnético quando dispersas somente em água. Simulações Monte Carlo indicam que o aumento da temperatura de bloqueio das nanopartículas imersas em cristais líquidos liotrópicos pode ser obtido considerando uma forte interação, similar à de troca, entre os momentos superficiais e uma camada extra, simulando a presença das micelas. Medidas ZFC-FC e de suscetibilidade magnética permitiram determinar as temperaturas de transição entre as fases micelar isotrópica e nemática discótica. A curva de magnetização na região da fase discótica parece seguir o mesmo comportamento do parâmetro de ordem desta fase. Foram obtidos nanofios de níquel pelo processo de eletrodeposição AC em lâminas de alumina porosas para dopar cristais líquidos liotrópicos na fase isotrópica. As medidas ZFC-FC desses sistemas foram mais delicadas que as das nanopartículas devido ao baixo sinal das amostras e baixa solubilidade dos nanofios no cristal líquido. A técnica para a dissolução dos fios e dopagem dos cristais foi aprimorada, no entanto são necessários mais estudos para melhorar a estabilidade dessas amostras. / In this work we studied the magnetic behavior of potassium laurate lyotropic liquid crystals doped with magnetite nanoparticles. Zero-field cooling (ZFC) and field-cooling (FC) measurements with 50 Oe applied field showed a blocking behavior of magnetic nanoparticles at room temperature due to the micelle presence, while presenting superparamagnetic behavior when dispersed in water. Monte Carlo simulations suggest that this increase in the nanoparticles\' blocking temperature when immersed in lyotropic liquid crystals can be acquired taking into account an exchange-like strong interaction between the nanoparticles\' superficial magnetic moments and an extra layer playing the role of the micelles. ZFC-FC and magnetic susceptibility measures allowed us to find the transition temperatures between the isotropic micellar and the discotic nematic phases. The magnetization curve in the discotic phase resembles the behavior of the order parameter in that phase. We obtained nickel nanowires by AC electrodeposition in anodic porous alumina to dope lyotropic liquid crystals in the isotropic phase. The ZFC-FC measurements in those systems were more intricate given the weak magnetization of the samples and low solubility of the nanowires in the liquid crystal. We refined the technique for dissolution and doping of the crystals, but more studies are needed in order to improve the samples\' stability.

Dispositivos fotovoltaicos híbridos baseados em polímeros conjugados e semicondutores inorgânicos estão sendo utilizados nos últimos anos para a produção de células de energia solar com baixo custo. Para que haja uma alta eficiência é necessária dissociação eficiente de éxcitons, por isso é importante conhecer os níveis de energias dos componentes do dispositivo fotovoltaico. O presente estudos mostra que o sistema híbrido formado por nanofios cilíndricos preparados com heteroestrutura radial de camadas alternadas de GaAs/AlGaAs/GaAs recobertas com polímero conjugado poli-fenileno vinileno (PPV) forma uma opção alternativa para a fabricação de dispositivos fotovoltaicos. Os nanofios foram fabricados por Epitaxia por Feixe Molecular (MBE). Tanto potencial interno radial e modulação energética axial produzem a separação eficiente de elétrons e buracos fotoexcitados, que gera emissões de natureza e origem distintas e singulares nos nanofios: emissões envolvendo a impurezas aceitadoras no centro do núcleo de GaAs, bem como éxcitons indiretos presos a interface WZ e BZ e a interface da barreira estreita de AlGaAs na casca do nanofio. Medidas do decaimento temporal da emissão mostram uma forte dependência tempo de vida com o comprimento de onda, o que está associado com o afunilamento e distribuição energética destes estados emissivos. Medidas da emissão com a temperatura dão forte evidencia experimental de que a energia de ligação das impurezas tem uma forte dependência na direção radial. Este sistema híbrido funciona como coletor eficaz de luz tanto no visível quanto no infravermelho próximo. O trabalho demonstra também por espectroscopia resolvida no tempo que éxcitons são dissociados nas interfaces formadas por filmes ultrafinos de polímeros conjugados e nanofios e que esse material à base de arseneto de gálio (GaAs) atua como um forte receptor e separador de elétrons (alta afinidade eletrônica). / Hybrid photovoltaic devices based on conjugated polymers and inorganic semiconductors are being used in recent years to the production of solar cells at low cost. So there is a high efficiency is required efficient exciton dissociation, so it´s important to know the levels of energy of the components of the photovoltaic device. The present studies show that the hybrid system formed by cylindrical radial heterostructure nanowires prepared from alternating layers of GaAs / AlGaAs / GaAs covered with the conjugated polymer poly-phenylene vinylene (PPV) forms an alternative option for the manufacture of photovoltaic devices. Nanowires were manufactured by Molecular Beam Epitaxy (MBE). Both radial and axial inner potential energy modulation produce the efficient separation of electrons and photoexcited holes, which generates distinct and unique nature and source emissions in nanowires: emissions involving the acceptor impurities in the center core of GaAs and indirect excitons attached to the interface WZ and BZ and narrow barrier interface of AlGaAs on the shell of the nanowire. Measures the time decay of the issue show a strong dependence lifetime with the wavelength, which is associated with the bottleneck and energy distribution of emissive states. Emission measurements with temperature provide strong experimental evidence that the impurity binding energy has a strong dependence on the radial direction. This hybrid system works as an efficient collector of light both in the visible and near infrared. The work also shows for time resolved spectroscopy that excitons are dissociated at the interfaces formed by ultrathin conjugated polymers and films and nanowires that this material based on gallium arsenide (GaAs) acts as a strong receiver and electrons separator (high electron affinity ).

Spin-dependent phenomena in semiconductor nanowires have recently gained a lot of attention, in special because these nanostructures can be a viable setup to study exotic states of matter like the Majorana fermions. One of the key ingredients to accommodate the Majorana zero modes is the spin-orbit coupling in the nanowires, which has been usually treated with two-band Hamiltonians. The spin-orbit coupling in semiconductors arise from two distinct sources being the bulk inversion asymmetry, when the unit cell does not present inversion symmetry, e.g. when the crystal unit cell is composed by two different atoms, and the structural inversion asymmetry, when the whole system does not have a mirror symmetry. To describe the system these effective models take as input, parameters that are dependent on the system configuration and measurement setups. Although these effective models have been successful in determine relevant physical properties, a more realistic description of the interacting energy bands is required, specially in quantum confined systems where the interplay between both sources of spin-orbit coupling can change the systems properties in non-trivial ways. For instance, in quantum wells there is an anisotropy of the g-factor due to the quantum confinement and structural inversion asymmetry. Furthermore, the in-plane g-factor also have an anisotropy which is due to the intrinsic spin-orbit coupling and it is not captured by these effective models. In this study, we use realistic multiband k · p Hamiltonians, including both spin-orbit coupling mechanisms, to determine the band structure of zincblende InSb and wurtzite InAs nanowires under a transverse electric field. We analyze the effects of the lateral quantum confinement for a hexagonal cross-section geometry and of the change in growth directions, extracting the relevant physical parameters for the first conduction subband. We found that the g-factors are heavily dependent on the quantum confinement and nanowire orientation, with in-plane/out-of-plane anisotropies up to 3%. We also found that for zinc-blende nanowires the extrinsic spin-orbit coupling is dominant over the intrinsic one whereas, for wurztize, the opposite behavior holds. In order to assess if the nanowires could host the aforementioned Majorana zero modes we investigate under which circumstances the topological phase transition occurs, using the Bogoliubov-de Gennes formalism to couple the nanowire with a superconductor, and we found that using realistic and experimental feasible parameters, indeed, the phase transition occurs. In conclusion, our systematic investigation of nanowires shows that the spin-orbit coupling energy can be fine tuned by the external electric field in experimentally achievable setups that ultimately could guide the search for the elusive Majorana modes. Moreover, our numerical approach is not restricted to a specific material or dimensionality and can be used to study others systems to provide useful insights into the electronic and spintronic fields. / Recentemente, fenômenos dependentes de spin em nanofios semicondutores se tornaram uma área de pesquisa ativa especialmente porque essas nanoestruturas podem ser viáveis para o estudo de estados exóticos da matéria como, por exemplo, os férmions de Majorana. Um dos ingredientes chave para que esses modos de excitação possam existir em nanofios é o acoplamento spin-órbita, o qual tem sido usualmente tratado com modelos de duas bandas. O acoplamento spin-órbita em semicondutores aparece de duas fontes distintas sendo elas a assimetria de inversão no bulk, quando a célula unitária do cristal não possui simetria de inversão, por exemplo, quando é formada por dois átomos diferentes, e a assimetria de inversão estrutural, quando o sistema como um todo não possui simetria de inversão. Para descrever o sistema, os modelos efetivos de duas bandas usam como entrada parâmetros que dependem tanto do sistema específico quanto da configuração do arranjo experimental. Apesar desses modelos terem sucesso em descrever algumas das propriedades físicas relevantes, uma descrição mais realística da interação entre as bandas de energia se faz necessária, especialmente em sistemas com confinamento quântico onde a ação combinada das duas fontes de acoplamento spin-órbita muda as propriedades do sistema de maneira não-trivial. Por exemplo, o fator giromagnético em poços quânticos é anisotrópico devido aos efeitos de ambos, confinamento quântico e a assimetria de inversão estrutural. Ademais, o fator giromagnético ao longo do plano também possui uma anisotropia, a qual tem origem no acoplamento spin-órbita intrínseco do sistema e não é capturada por esses modelos efetivos. Nesse estudo, nós usamos Hamiltonianos k · p multibanda, incluindo ambos os mecanismos de acoplamento spin-órbita, para determinar a estrutura de bandas de nanofios de InSb na fase blenda de zinco e InAs na fase wurtzita sob a ação de um campo elétrico transversal. Nós analisamos os efeitos do confinamento quântico lateral, para fios com seção transversal hexagonal, e diferentes direções de crescimento, extraindo parâmetros físicos relevantes para a primeira sub-banda de condução. Nós encontramos que os fatores giromagnéticos são fortemente influenciados pelo confinamento quântico e orientação dos nanofios, com anisotropias no plano e fora do plano de até 3%. Nós também encontramos que para nanofios de InSb na fase blenda de zinco, o acoplamento spin-órbita extrínseco domina o intrínseco enquanto que, em nanofios de InAs na fase wurtzita, vale o oposto. Para avaliar se os nanofios podem hospedar os modos de Majorana de energia zero nós investigamos sob quais circunstâncias a transição de fase topológica ocorre usando o formalismo de Bogoliubov-de Gennes para acoplar o nanofio a um supercondutor, e encontramos que usando nossos parâmetros e em condições experimentalmente factíveis, de fato, a transição de fase ocorre. Em conclusão, nossa investigação sistemática nos nanofios mostrou que o acoplamento spin-órbita pode ser ajustado por fontes externas, tais como um campo elétrico aplicado, e em configurações experimentais factíveis e que ultimamente pode guiar à busca dos elusivos modos de Majorana. Além do mais, nossa abordagem numérica não é restrita a esses materiais em específico e nem a nanofios, podendo ser usada para estudar outros sistemas provendo intuições úteis nos campos de eletrônica e spintrônica.

Nos últimos anos, os avanços nas técnicas de crescimento de semicondutores permitiram a fabricação de nanoestruturas isoladas de alta qualidade e com confinamento radial. Essas estruturas quase unidimensionais, conhecidas como nanowires (NWs) têm aplicações tecnológicas vastas, tais como nano sensores químicos e biológicos, foto-detectores e lasers. Seu uso em aplicações tecnológicas requer a compreensão de características óticas e eletrônicas e um estudo teórico mais profundo se faz necessário. O objetivo desse estudo e calcular teoricamente o poder de absorção para NWs de InP e comparar os resultados para as fases cristalinas zincblende (ZB) e wurtzita (WZ) nas suas direções de crescimento equivalentes. Usamos neste estudo a formulação do método k.p que descreve as duas fases cristalinas em um mesmo Hamiltoniano, a aproximação da função envelope e a expansão em ondas planas. O poder de absorção foi calculado a partir das transições entre as bandas de valência e condução através da regra de ouro de Fermi. Mesmo o método k.p sendo o menos custoso computacionalmente, quando comparado com seus correspondentes ab initio, o tamanho das matrizes envolvidas nos cálculos pode ultrapassar a barreira dos giga elementos. Para lidar com essas matrizes, foi implementado um método de resolução de sistemas lineares iterativo, o LOBPCG, utilizando o poder de processamento disponível nas placas gráficas atuais. O novo modo de resolução apresentou ganhos consideráveis em relação ao desempenho observado com os métodos de diagonalização diretos em testes com confinamento em uma única direção. A falta de um pré-condicionador adequado limita o seu uso em NWs. Os cálculos de absorção para NWs na fase ZB apresentaram uma anisotropia em seu espectro de absorção de mais de 90%, enquanto os na fase WZ apresentaram dois regimes distintos de anisotropia, governados pelo aparecimento de um estado oticamente proibido no topo da banda de valência. Em suma, os resultados obtidos com o modelo teórico proposto nesse estudo apresentam as propriedades óticas reportadas na literatura, inclusive o estado oticamente proibido observado em outros sistemas na fase WZ com um alto confinamento quântico. / In recent years, the advances of growth techniques allowed the fabrication of high quality single nanostructures with quantum confinement along lateral directions. These quasi one-dimensional structures known as nanowires (NWs) have vasts technological applications, such as biological and chemical nanosensors, photo detectors and lasers. The applications involving NWs require the comprehension of their optical and electronic properties and, therefore, a deep theoretical understanding should be pursued. The aim of this study is to provide optical absorption theoretical calculations for InP NWs, comparing the results for zincblende (ZB) and wurtzite (WZ) crystal phases, in their equivalent growth directions. We use the k.p method formulation that allow the description of both structures with the same Hamiltonian, the envelope function approximation and the plane wave expansion. The absorption power was calculated for transitions between valence and conduction bands using Fermis Golden Rule. Although the k.p method demands less computational effort, when compared to ab initio calculations, the k.p matrices can break the giga elements barrier. To deal with these matrices, we implemented an linear system solver method, the LOBPCG, using the processing power available in current GPUs. The new resolution method showed a considerable gain comparing the performance of direct diagonalization methods, when tested in systems with confinement in one direction. The lack of an adequate preconditioner limits its use in NWs. The absorption spectra calculations for ZB NWs presented a 90% plus anisotropy, whilst WZ NWs have two distinct regimes, ruled by the presence of an optically forbidden state at valence band maximum. In summary, the results obtained with the theoretical model in this study are in great agreement with optical properties reported in the literature, including the optically forbidden state observed in other WZ systems with high quantum confinement.

Estudamos o comportamento estático e os mecanismos de inversão da magnetização de arranjos auto-organizados de nanofios de Ni e Co com alta anisotropia de forma. Os arranjos são obtidos a partir da anodização em dois passos de lâminas de Al e subseqüente eletrodeposição do metal magnético. Sua caracterização estrutural é realizada por microscopia eletrônica de varredura, microscopia de força atômica e magnética e difração de raios X. Seu comportamento magnético é estudado a partir da medida de curvas de inversão de primeira ordem (FORCs) a temperatura ambiente, via magnetometria SQUID ou de amostra vibrante. A análise FORC consiste na construção de uma mapa da resposta magnética do material a partir dos dados experimentais e pode ser interpretado a partir da analogia direta com o modelo de histerese de Preisach. Apresentamos resultados da influência dos diâmetros dos nanofios e do ângulo do campo externo aplicado em relação ao eixo de anisotropia sobre as principais características dos diagramas FORC. Estudamos também a dinâmica de spins em superfícies de O-Fe/W(001) através de espectroscopia por perda de energia de elétrons spin-polarizados (SPEELS). As amostras consistem em 30 monocamadas atômicas de Fe crescidas sobre um monocristal de W(001), via epitaxia por feixe molecular a temperatura ambiente. Subseqüentemente, a amostra é exposta a 5 langmuirs de O2 e sofre um suave annealing a 500 K. A estrutura e a pureza da amostra são analisadas por difração de elétrons de baixas energias e espectroscopia de elétrons Auger. A caracterização magnética é realizada por magnetometria por efeito Kerr magneto-óptico, resultando num filme com alta magnetização remanente no plano. Os espectros de SPEELS revelam uma rica profusão de picos inelásticos tipo spin-flip e nãospin-flip, que exibem clara dispersão ao longo de toda a zona de Brillouin de superfície. Os resultados são atribuídos a modos de superfície de fônons e mágnons (ondas de spin), de acordo com resultados da literatura e com modelos teóricos atuais. / We study the static behavior and the mechanisms of magnetization reversal of arrays of self-organized Ni and Co nanowires with high shape anisotropy. The arrays are obtained by two-step anodization of Al foils and subsequent electrodeposition of the magnetic metal.Their structural characterization is obtained by scanning electron microscopy, atomic and magnetic force microscopy and X-ray diffraction. Their magnetic behavior is studied from the measurement of first order reversal curves (FORCs) at room temperature, via SQUID or vibrating sample magnetometry. The FORC analysis method consists in building a map of the magnetic response of the material from the experimental data and it can be interpreted from the direct analogy with the Preisach model of hysteresis. We present results of the influence of the diameter of the nanowires and the angle of the applied external field in relation to the anisotropy easy-axis on the main features of the FORC diagrams. We also study the spin dynamics of O-Fe/W(001) surfaces through spin-polarized electron energy loss spectroscopy (SPEELS). The samples consist of 30 atomic monolayers of Fe grown on a W(001) single crystal via molecular beam epitaxy at room temperature. Subsequently, the samples are exposed to 5 langmuirs of O2 and suffer a mild annealing at 500 K. The structure and purity of the samples are analyzed by low-energy electron diffraction and Auger electron spectroscopy. The magnetic characterization is performed by magneto-optical Kerr effect magnetometry, resulting in films with high remanent in-plane magnetization. SPEEL-spectra reveal a rich profusion of inelastic spin-flip and non-spin-flip peaks, which exhibit clear dispersion for wave vectors throughout the whole surface Brillouin zone. The results are attributed to surface modes of phonons and magnons (spin waves), in accordance with the literature and with current theoretical models.