Neste trabalho foram investigados dois sistemas de multicamadas de semicondutores amorfos, a-SI:h/SI IND.1-XC IND.X:h e a-SI:h/a-GE:h, crescidos pela técnica de plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). A difração de raios x a baixo angulo (SAXRD) foi a técnica utilizada para estudo das propriedades estruturais destas super-redes. Os objetivos deste trabalho foram: a) determinar as propriedades estruturais destes sistemas, no que tange a periodicidade da super-rede, uniformidade em espessura e tipo de interface; b) desenvolver modelos teóricos de simulação das intensidades difratadas; e c) avaliar o processo de difusão e cristalização dos componentes das multicamadas, através de tratamentos térmicos. As multicamadas de a-SI:h/a-SI IND.1-XC IND.X:h foram crescidas variando-se dois parâmetros de deposição: a concentração de metano na mistura gasosa e o tempo de plasma etching de hidrogênio entre deposições consecutivas. A combinação dos resultados de espectroscopia de eletrons auger (aes) e saxrd permitiram avaliar a espessura das interfaces. Interfaces mais abruptas foram obtidas em sistemas crescidos sobre uma camada buffer, tempos de plasma etching de hidrogênio de, pelo menos, 2min, e camadas de a-SI IND.1-XC IND.X:H crescidas com mais alta concentração de CH IND.4 na mistura gasosa e em condições de baixo fluxo de silano. / In this work, two types of amorphous semiconductor multilayers were investigated, a-SI:h/SI IND.1-XC IND.X:h and a-SI:h/a-GE:h, deposited by the Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) method. The Small Angle X-Ray Diffraction (SAXRD) technique was used to study the structural properties of these super-lattices. The aim of this work was: a) to determine the structural properties of these systems, including the periodicity, thickness uniformity and interface sharpness; b) to develop theoretical models to simulate the diffracted intensities; and c) to evaluate the diffusion and crystallization processes of the multilayer components, by means of heat treatments. The a-SI:h/a-SI IND.1-XC IND.X multilayers were deposited, varying two growth parameters: the methane concentration in the gaseous mixture and the intermediate plasma etching time between consecutive depositions. The Auger Electron Spectroscopy (AES) and SAXRD results were combined to evaluate the interface thickness. The sharpest interfaces were obtained on samples deposited on top of a buffer layer, plasma etching times of at least 2 min. and a-SI IND.1-XC IND.X:H layers deposited with a higher CH IND.4. concentration in the gaseous mixture and in conditions of low silane flow.

Neste trabalho foram investigados dois sistemas de multicamadas de semicondutores amorfos, a-SI:h/SI IND.1-XC IND.X:h e a-SI:h/a-GE:h, crescidos pela técnica de plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). A difração de raios x a baixo angulo (SAXRD) foi a técnica utilizada para estudo das propriedades estruturais destas super-redes. Os objetivos deste trabalho foram: a) determinar as propriedades estruturais destes sistemas, no que tange a periodicidade da super-rede, uniformidade em espessura e tipo de interface; b) desenvolver modelos teóricos de simulação das intensidades difratadas; e c) avaliar o processo de difusão e cristalização dos componentes das multicamadas, através de tratamentos térmicos. As multicamadas de a-SI:h/a-SI IND.1-XC IND.X:h foram crescidas variando-se dois parâmetros de deposição: a concentração de metano na mistura gasosa e o tempo de plasma etching de hidrogênio entre deposições consecutivas. A combinação dos resultados de espectroscopia de eletrons auger (aes) e saxrd permitiram avaliar a espessura das interfaces. Interfaces mais abruptas foram obtidas em sistemas crescidos sobre uma camada buffer, tempos de plasma etching de hidrogênio de, pelo menos, 2min, e camadas de a-SI IND.1-XC IND.X:H crescidas com mais alta concentração de CH IND.4 na mistura gasosa e em condições de baixo fluxo de silano. / In this work, two types of amorphous semiconductor multilayers were investigated, a-SI:h/SI IND.1-XC IND.X:h and a-SI:h/a-GE:h, deposited by the Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) method. The Small Angle X-Ray Diffraction (SAXRD) technique was used to study the structural properties of these super-lattices. The aim of this work was: a) to determine the structural properties of these systems, including the periodicity, thickness uniformity and interface sharpness; b) to develop theoretical models to simulate the diffracted intensities; and c) to evaluate the diffusion and crystallization processes of the multilayer components, by means of heat treatments. The a-SI:h/a-SI IND.1-XC IND.X multilayers were deposited, varying two growth parameters: the methane concentration in the gaseous mixture and the intermediate plasma etching time between consecutive depositions. The Auger Electron Spectroscopy (AES) and SAXRD results were combined to evaluate the interface thickness. The sharpest interfaces were obtained on samples deposited on top of a buffer layer, plasma etching times of at least 2 min. and a-SI IND.1-XC IND.X:H layers deposited with a higher CH IND.4. concentration in the gaseous mixture and in conditions of low silane flow.

O dioxido de estanho na estrutura rutila (SnO2) é um semicondutor de gap largo e faz parte da classe dos óxidos condutores transparentes (TCO). Possui gap direto de 3,6 eV e condutividade do tipo n, mesmo quando não dopado intencionalmente. Estudos teóricos e experimentais atribuem este comportamento à presença de defeitos intrínsecos. Por outro lado, impurezas de hidrogênio, em sítios intersticiais ou substituindo o átomo de oxigênio, poderiam ser responsáveis pelo caráter n do SnO2. Neste trabalho apresentamos nossos resultados de estrutura eletrônica, a partir de cálculos de primeiros princípios, para o dióxido de estanho puro, assim como levando em conta a presença de defeitos intrínsecos - VO, VSn, Sni, Oi, OSn, SnO, SnO+OSn, Sni+VO - e para vários centros de impureza de hidrogênio - Hi, HO, HBC, Hi-Hi, Hi-HO, Hi-HBC, HBC-HBC, onde V significa vacância e BC a impureza localizada em um sítio entre ligação. Os resultados para a impureza de hidrogênio são confrontados com os dos defeitos intrínsicos. Nossas análises mostram, tanto para o caso das impurezas de H isoladas quanto para os pares complexos H-H, que estes centros apresentam caráter doador. Em todas as configurações, as energias de formação são suficientemente baixas, comparadas com as dos defeitos intrínsecos, mostrando competitividade e sugerindo que a impureza de hidrogênio poderia ser responsável pela característica de condutividade n do cristal SnO2. Apresentamos também resultados de propriedades eletrônicas e magnéticas para impurezas de metal de transição MT (MT = V, Cr, Fe, Mn, Co e Ni) em SnO2 em uma configuração estrutural de baixa concentração. Estes sistemas são denominados semicondutores magnéticos diluídos (DMS - diluted magnetic semiconductor), isto é, ligas diluídas do tipo Sn1-xMTxO2 e Sn1-xMTxO2-y(VO)y. Consideramos neste estudo as concentrações x = 0,04 e y = 0,02, correspondendo a valores experimentalmente possíveis de se obter. Este estudo aponta para a existência de estados magnéticos metaestáveis para estes sistemas e mostra como a vacância de oxigênio afeta este comportamento. Para todos os casos, o estado eletrônico fundamental encontrado apresenta configuraçãoo de alto spin (HS - high-spin) e o fenômeno de spin-crossover para o estado de baixo spin (LS - low-spin) é possível de ocorrer. A metaestabilidade obtida para estes sistemas DMS é estudada em conecção com as relaxações estruturais em torno da impureza, na ausência e na presença da vacância de oxigênio. Por fim, alternando respectivamente camadas magnéticas e não magnéticas de r-CrO2 e r-SnO2, foram estudados sistemas em uma configuração de super-rede (SL - superlattice), do tipo (CrO2)n(SnO2)n, com n = 1; 2; ...; 10 sendo o número de monocamadas. Para todos os valores de n foi observado comportamento meio-metal (half-metal) para os sistemas. O estado fundamental é ferromagnético (FM), com momento mangético igual a 2 mu_B por cromo ndependentemente do número de monocamadas. E como o óxido r-CrO2 é instável na temperatura ambiente, porém pode ser estabilizado, quando crescido sobre o r-SnO2, sugerimos que as super-redes (CrO2)n(SnO2)n podem ser aplicadas na tecnologia de spintrônica provendo eficiente polarização de spin de seus portadores. Os cálculos de estutura eletrônica foram realizados levando em conta a polarização de spin, usando o método PAW (Projector-Augmented-Wave) implementado no pacote computacional VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package), dentro da teoria DFT (density functional theory) utilizando a aproximação local da densidade com correção GGA-PBE (generalized gradient corrections) e aproximação GGA-PBE+U, onde U é a correção on site de Hubbard. / Rutile tin dioxide (r-SnO2) is a wide-band-gap semiconductor and is part of a class of promising transparent conducting oxides (TCO). It has a direct band gap of 3.6 eV and shows n-type conductivity, even when not intentionally doped, which is usually attributed to intrinsic defects. On the other hand, it has been proposed theoretically that in spite of unintentionally doping, hydrogen impurities at interstitial or O substitutional sites could be responsible for the n-type conductivity in SnO2. In this work we report the results of ab initio electronic structure calculatations for pure tin dioxide as well as for some intrinsic defects VO, VSn, Sni, Oi, OSn, SnO, SnO+OSn and Sni+VO and for several H-related defect centers Hi, HO, HBC, Hi-Hi, Hi-HO, Hi-HBC, HBC-HBC, where V means vacancy and BC bond-centered sites. Our H-related results centers are confronted with those obtained for the intrinsic defects. Our findings show, for example, that hydrogen impurity has a donor character for all studied centers and that not only the isolated H, but also some of its complexes, show competitive low formation energies, suggesting that various H-related centers could be responsible for the n-type conductivity observed in the unintentionally doped SnO2. We discuss some results of the electronic and magnetic properties of TM-doped tin dioxide (TM = V, Cr, Fe, Mn, Co and Ni) in a diluted magnetic oxide configurations, i.e., Sn1-xTMxO2 and Sn1-xTMxO2-y(VO)y diluted alloys. As a prototype we will consider x = 0.04 and y = 0.02, which corresponds to a TM content just within the experimental window. Our aim is to analyze the presence of magnetic metastable states in these systems and how oxygen vacancies affect this metastability. For all cases, the ground state corresponds to the expected high spin (HS) configuration and a spin-crossover to the low-spin state is possible. The obtained magnetic metasbility in TM-doped SnO2 is discussed in connection with the structural relaxations around the impurity in absence and in presence of O vacancies. Finally, alternated magnetic and non-magnetic layers of rutile-CrO2 and rutile-SnO2 respectively, in a (CrO2)n(SnO2)n superlattice (SL) configuration, with n being the number of monolayers which are considered equal to 1, 2, ..., 10 are studied. A half-metallic behavior is observed for the (CrO2)n(SnO2)n SLs for all values of n. The ground state is found to be ferromagnetic (FM) with a magnetic moment of 2 µB per chromium atom, and this result does not depend on the number of monolayers n. As the FM rutile-CrO2 is unstable at ambient temperature, and known to be stabilized when on top of SnO2, we suggest that (CrO2)n(SnO2)n SLs may be applied to spintronic technologies since they provide efficient spin-polarized carriers. Spin-polarized electronic structure calculations were performed using the Projector-Augmented-Wave (PAW) method as implemented in the Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP), within the spin density functional theory in the local density approximation with generalized gradient corrections (GGA-PBE) and GGA- PBE+U, where U is the Hubbard correction.

In this thesis, we had studied the transmissivity of electromagnetic waves in onedimensional photonic structures composed by metamaterials in many ways. Applying the formalism of transfer matrix, comparing the transmission spectra between two systems: defective photonic superlattices composed of subwavelength slab widths and a simple photonic structures formed by three layers. Through the effective medium theory, with good accuracy, we had shown the equivalence of the above systems in the spectral region in which there are modes of resonant tunneling for both structures. Furthermore, we had derived a general condition which should be satisfied to observe the resonant modes. Our analytical results may be useful from a technological point of view to propitiate, in the design and development of photonic devices, adjustment or selection of resonant frequencies. Finally, we investigated the electromagnetic wave transmission properties through a multilayer system consisting of alternated layers of air and uniaxially anisotropic metamaterials. The optical axis of each heterostructure coincides with the direction of stacking of the layers. The components of the electric permittivity and magnetic permeability tensors that characterize the metamaterial are modeled by a Drude-type response and split-ring resonator metamaterial response, respectively. Different plasmon frequencies are considered for directions perpendicular and parallel to the optical axis. For oblique incidence, longitudinal plasmon polariton modes are found in the neighborhood of the plasmon frequency along the optical axis. The anisotropy leads to unfolding of nearly dispersionless plasmon-polariton bands either above or below the plasmon frequency. Moreover, it is shown that, even in the presence of loss /absorption, these plasmon polariton modes do survive and, therefore, should be experimentally detected. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nessa tese, estudamos a transmissividade de ondas eletromagnéticas em estruturas fotônicas unidimensionais formadas por metamateriais, sob vários aspectos. Aplicando o formalismo de matriz de transferência, comparamos os espectros de transmissão entre dois sistemas: redes defeituosas com camadas no regime de sub-comprimento de onda e simples estruturas fotônicas formadas por três camadas. Através da teoria do meio efetivo, com boa acurácia, mostramos a equivalência dos supracitados sistemas na região espectral em que há modos de tunelamento ressonante para ambas estruturas. Além disso, derivamos uma condição geral que deve ser satisfeita para observarmos os modos ressonantes. Nossos resultados analíticos podem ser úteis do ponto de vista tecnológico por propiciarem, na concepção e no desenvolvimento de dispositivos fotônicos, o ajuste ou seleção das frequências de ressonância. Por fim, investigamos as propriedades de transmissão de ondas eletromagnéticas através de sistemas multicamadas consistindo de camadas alternadas de ar e metamateriais uniaxialmente anisotrópicos. O eixo óptico de cada heteroestrutura coincide com a direção de empilhamento das camadas. As componentes dos tensores de permissividade elétrica e permeabilidade magnética que caracterizam os metamateriais são modeladas por respostas do tipo Drude e split-ring resonator, respectivamente. Diferentes frequências de plasmon são consideradas para as direções perpendiculares e paralela ao eixo óptico. Para incidência oblíqua, modos de plasmon polariton longitudinais são encontrados nas vizinhanças da frequência de plasmon ao longo do eixo óptico. A anisotropia leva ao desdobramento de bandas de plasmon polariton quase sem dispersão acima ou abaixo da frequência de plasmon. Além disso, mostramos que mesmo na presença de perdas/absorções, esses modos de plasmon polariton sobrevivem e, portanto, devem ser detectados experimentalmente.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseVEEC.pdf: 1596360 bytes, checksum: a1bc2433298a824834d595326d99a608 (MD5) Previous issue date: 2005-03-22 / Financiadora de Estudos e Projetos / In the present work, the localization properties of the single-particle and collective excitations subjected to a random potential in the AlGaAsSi alloys and in the intentionally disordered GaAs/AlGaAs:Si superlattices (SL s)were investigated by magnetoresistance and Raman scattering. As it is well known, the fluctuations of the eletronic potential, which occur in doped SL s and alloys destroy the translational invariance giving rise to a spatial coherence length of the elementary excitations and, as consequence, cause the breakdown of the Raman selection rules leading to the broadening and assymetry of the Raman lines. The analysis of the shape of the spectral lines allows one to determine the coherence lengths of the elementary excitations involved in the Raman process and thus, to study their localization properties. It was shown that the Landau damping determines the localization lengths of the collective plasmon-like excitations in bulk AlGaAs alloy. Meanwhile the localization lengths of both,the single-particle and collective excitations are limited by disorder in the intentionally disordered superlattices. The localization lengths of the plasmon-like excitations obtained by Raman Spectroscopy was compared with the phase-breaking lengths measured by Magnetoresistance. We had verified that in superlattices the localization length of the individual electron was found to be considerably larger than localization length corresponding to the collective excitations. This suggests that the effect of disorder has weaker influence on the electrons than on their collective motion and that the interaction, which gives rise to the collective effects, increase the localization. / Neste trabalho, as propriedades de localização das excitações de uma partícula e das excitações sujeitas a um potencial aleatório em ligas AlGaAs:Si e em superredes intencionalmente desordenadas GaAs/AlGaAs:Si (SL s) foram investigadas por magnetoresistência e espalhamento Raman. Como é bem sabido, as flutuações do potencial eletrônico, que ocorrem em SL s e ligas dopadas destroem a invariância translacional permitindo o aparecimento de um comprimento de localização espacial das excitações elementares e, como consequência, causando a relaxação das regras de seleção o que provoca a largura e assimetria das linhas Raman. A análise da forma das linhas espectrais permite determinar os comprimentos de localização das excitações elementares envolvidas no processo Raman e assim, estudar suas propriedades de localização. No caso das ligas AlGaAs:Si, mostrou-se que o amortecimento de Landau determina os comprimentos de localização das excitações coletivas tipo plasmon. Entretanto, nas SL s intencionalmente desordenadas, as propriedades de localização tanto das excitações de uma partícula quanto das excitações coletivas são limitadas pela desordem. Os comprimentos de localização das excitações tipo plasmon obtidos por espectroscopia Raman foram comparados com os comprimentos de coerência de fase do elétron medidos por magnetoresistência. Verificamos que em superredes o comprimento de localização das excitações de uma partícula é consideravelmente maior que o comprimento de localização das excitações coletivas. Isto sugere que o efeito da desordem é mais fraco para os elétrons do que para os movimentos coletivos e que a interação permite que os efeitos coletivos aumentem a localização.

O dioxido de estanho na estrutura rutila (SnO2) é um semicondutor de gap largo e faz parte da classe dos óxidos condutores transparentes (TCO). Possui gap direto de 3,6 eV e condutividade do tipo n, mesmo quando não dopado intencionalmente. Estudos teóricos e experimentais atribuem este comportamento à presença de defeitos intrínsecos. Por outro lado, impurezas de hidrogênio, em sítios intersticiais ou substituindo o átomo de oxigênio, poderiam ser responsáveis pelo caráter n do SnO2. Neste trabalho apresentamos nossos resultados de estrutura eletrônica, a partir de cálculos de primeiros princípios, para o dióxido de estanho puro, assim como levando em conta a presença de defeitos intrínsecos - VO, VSn, Sni, Oi, OSn, SnO, SnO+OSn, Sni+VO - e para vários centros de impureza de hidrogênio - Hi, HO, HBC, Hi-Hi, Hi-HO, Hi-HBC, HBC-HBC, onde V significa vacância e BC a impureza localizada em um sítio entre ligação. Os resultados para a impureza de hidrogênio são confrontados com os dos defeitos intrínsicos. Nossas análises mostram, tanto para o caso das impurezas de H isoladas quanto para os pares complexos H-H, que estes centros apresentam caráter doador. Em todas as configurações, as energias de formação são suficientemente baixas, comparadas com as dos defeitos intrínsecos, mostrando competitividade e sugerindo que a impureza de hidrogênio poderia ser responsável pela característica de condutividade n do cristal SnO2. Apresentamos também resultados de propriedades eletrônicas e magnéticas para impurezas de metal de transição MT (MT = V, Cr, Fe, Mn, Co e Ni) em SnO2 em uma configuração estrutural de baixa concentração. Estes sistemas são denominados semicondutores magnéticos diluídos (DMS - diluted magnetic semiconductor), isto é, ligas diluídas do tipo Sn1-xMTxO2 e Sn1-xMTxO2-y(VO)y. Consideramos neste estudo as concentrações x = 0,04 e y = 0,02, correspondendo a valores experimentalmente possíveis de se obter. Este estudo aponta para a existência de estados magnéticos metaestáveis para estes sistemas e mostra como a vacância de oxigênio afeta este comportamento. Para todos os casos, o estado eletrônico fundamental encontrado apresenta configuraçãoo de alto spin (HS - high-spin) e o fenômeno de spin-crossover para o estado de baixo spin (LS - low-spin) é possível de ocorrer. A metaestabilidade obtida para estes sistemas DMS é estudada em conecção com as relaxações estruturais em torno da impureza, na ausência e na presença da vacância de oxigênio. Por fim, alternando respectivamente camadas magnéticas e não magnéticas de r-CrO2 e r-SnO2, foram estudados sistemas em uma configuração de super-rede (SL - superlattice), do tipo (CrO2)n(SnO2)n, com n = 1; 2; ...; 10 sendo o número de monocamadas. Para todos os valores de n foi observado comportamento meio-metal (half-metal) para os sistemas. O estado fundamental é ferromagnético (FM), com momento mangético igual a 2 mu_B por cromo ndependentemente do número de monocamadas. E como o óxido r-CrO2 é instável na temperatura ambiente, porém pode ser estabilizado, quando crescido sobre o r-SnO2, sugerimos que as super-redes (CrO2)n(SnO2)n podem ser aplicadas na tecnologia de spintrônica provendo eficiente polarização de spin de seus portadores. Os cálculos de estutura eletrônica foram realizados levando em conta a polarização de spin, usando o método PAW (Projector-Augmented-Wave) implementado no pacote computacional VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package), dentro da teoria DFT (density functional theory) utilizando a aproximação local da densidade com correção GGA-PBE (generalized gradient corrections) e aproximação GGA-PBE+U, onde U é a correção on site de Hubbard. / Rutile tin dioxide (r-SnO2) is a wide-band-gap semiconductor and is part of a class of promising transparent conducting oxides (TCO). It has a direct band gap of 3.6 eV and shows n-type conductivity, even when not intentionally doped, which is usually attributed to intrinsic defects. On the other hand, it has been proposed theoretically that in spite of unintentionally doping, hydrogen impurities at interstitial or O substitutional sites could be responsible for the n-type conductivity in SnO2. In this work we report the results of ab initio electronic structure calculatations for pure tin dioxide as well as for some intrinsic defects VO, VSn, Sni, Oi, OSn, SnO, SnO+OSn and Sni+VO and for several H-related defect centers Hi, HO, HBC, Hi-Hi, Hi-HO, Hi-HBC, HBC-HBC, where V means vacancy and BC bond-centered sites. Our H-related results centers are confronted with those obtained for the intrinsic defects. Our findings show, for example, that hydrogen impurity has a donor character for all studied centers and that not only the isolated H, but also some of its complexes, show competitive low formation energies, suggesting that various H-related centers could be responsible for the n-type conductivity observed in the unintentionally doped SnO2. We discuss some results of the electronic and magnetic properties of TM-doped tin dioxide (TM = V, Cr, Fe, Mn, Co and Ni) in a diluted magnetic oxide configurations, i.e., Sn1-xTMxO2 and Sn1-xTMxO2-y(VO)y diluted alloys. As a prototype we will consider x = 0.04 and y = 0.02, which corresponds to a TM content just within the experimental window. Our aim is to analyze the presence of magnetic metastable states in these systems and how oxygen vacancies affect this metastability. For all cases, the ground state corresponds to the expected high spin (HS) configuration and a spin-crossover to the low-spin state is possible. The obtained magnetic metasbility in TM-doped SnO2 is discussed in connection with the structural relaxations around the impurity in absence and in presence of O vacancies. Finally, alternated magnetic and non-magnetic layers of rutile-CrO2 and rutile-SnO2 respectively, in a (CrO2)n(SnO2)n superlattice (SL) configuration, with n being the number of monolayers which are considered equal to 1, 2, ..., 10 are studied. A half-metallic behavior is observed for the (CrO2)n(SnO2)n SLs for all values of n. The ground state is found to be ferromagnetic (FM) with a magnetic moment of 2 µB per chromium atom, and this result does not depend on the number of monolayers n. As the FM rutile-CrO2 is unstable at ambient temperature, and known to be stabilized when on top of SnO2, we suggest that (CrO2)n(SnO2)n SLs may be applied to spintronic technologies since they provide efficient spin-polarized carriers. Spin-polarized electronic structure calculations were performed using the Projector-Augmented-Wave (PAW) method as implemented in the Vienna Ab-initio Simulation Package (VASP), within the spin density functional theory in the local density approximation with generalized gradient corrections (GGA-PBE) and GGA- PBE+U, where U is the Hubbard correction.

[pt] Dispositivos opto-eletrônicos são elementos semicondutores que convertem radiações eletromagnéticas em corrente elétrica, e vice e versa. Os fotodetectores são dispositivos desse tipo, os quais possuem grande relevância na atualidade, devido a suas diversas aplicações. As pesquisas atuais se concentram no estudo de fotodetectores à base de poços quânticos para operar no infravermelho médio (2-20 m), mais especificamente em super-redes. No presente trabalho foi desenvolvido um fotodetector de duas cores baseado em super-redes assimétricas. O fotodetector construído possui uma rede com duas sessões. A primeira sessão tem cinco poços quânticos e cinco barreiras com 2 nm e 3.5 nm de espessura, respectivamente. A segunda sessão possui cinco poços quânticos e cinco barreiras de 2 nm e 7 nm de espessura, respectivamente. Entre as seções existe um poço quântico de 2.5 nm. O material que forma os poços quânticos é de InGaAs e o material das barreiras é de AlInAs. Esse dispositivo foi capaz de operar como um fotodetector de duas cores operando no modo fotovoltaico detectando radiações de 309 meV e 415 meV. O dispositivo foi capaz de operar em altas temperaturas. A temperatura máxima de operação foi de 245 K. Além disso, ao se aplicar tensões no dispositivo, é possível selecionar a radiação a ser detectada pelo fotodetector. Sendo elas 309 meV ou 415 meV. / [en] Opto-electronic devices are semiconductor elements that convert electromagnetic radiation in electric current. Photodetectors are devices of this type, which are the main relevant ones today due to their diverse applications. Current research focuses on the study of photodetectors based on quantum wells for operation in the medium infrared (2-20 m), more specifically with superlattices. In the present work a photodetector of two cores based on asymmetric superlattice was developed. The built-in photodetector had a superlattice with two sessions The first session had five quantum wells and five barriers with 2 nm and 3.5 nm of thickness, respectively. The second session had five quantum wells and five barriers of 2 nm and 7 nm thick, respectively. Between the sessions there is a 2.5 nm quantum well. The material that formed the quantum wells was InGaAs and the material of the barriers was AlInAs. This device was able to operate as a dual color photodetector operating in the photovoltaic mode detecting radiation of 309 meV and 415 meV. The device was able to operate at high temperatures. The maximum operating temperature was 245 K. In addition, when applying voltages to the device, it is possible to select the detection energy of the photodetector :309 meV or 415 meV.

Apresentamos uma teoria para obtenção de seções de choque de espalhamento inelástico de luz via mecanismos de flutuações de densidade de carga e spin em um gás de elétrons não-uniforme formado por um sistema multi-camadas de GaAs periodicamente &#948-dopadas com concentração eletrônica relativamente alta. Os cálculos, onde estão inclusos efeitos da interação coulombiana entre os portadores, efeitos de correlação e troca dinâmicos e o acoplamento com fônons LO, foram efetuados em condições de extrema ressonância com o gap de split-off do GaAs. Em tais condições, a estrutura detalhada dos níveis de energia dos buracos de spin-split torna-se extremamente importante e é fundamental para o surgimento do espectro de partícula independente apresentado nos espectros polarizados. Este comportamento é revelado através da seção de choque de espalhamento que consiste da parte imaginária de uma função resposta constituída de um termo de caráter de partícula independente e outro de caráter coletivo. De forma a levar em conta o amortecimento das flutuações de densidade, propõe-se uma função espectral baseada na conservação da corrente local. Comparação com formas de linha experimentais disponíveis para o caso de espectros despolarizados mostram excelente concordância. No caso dos espectros polarizados a concordância se deu em nível semi-quantitativo, já que excitações de caráter coletivo obtidas experimentalmente apresentaram intensidade menor do que aquelas fornecidas pela teoria. Tal discrepância é atribuída a efeitos de desordem introduzidas no processo de dopagem e que implicam na quebra das regras de conservação de momentum. / We present a theory for the inelastic light scattering cross-section for the mechanisms of charge and spin-density fluctuations in the relatively high concentration of the non-uniform electron gas of a multi-layered &#948-doped GaAs system. The calculations are done in conditions of extreme resonance with the spin-split edge of GaAs and include the effects of Coulomb interactions between the carriers, dynamical exchange-correlations and coupling with LO phonons. In such conditions, the detailed energy level structure of the spin-split holes becomes extremely important and is responsible by the single-particle behavior presented in the polarized spectrum. This behavior revealed by the scattering cross-section derived from the imaginary part of a response function, consists of a term showing single particle character and another displaying collective character. To include the damping of the density fluctuations, a spectral function is proposed based on the foreknowledge that the local current must be conserved. Comparison with the available experimental line-shapes for the depolarized spectra show excellent agreement. In the case of polarized spectra the agreement was given in semi-quantitative terms as experimental collective excitations present less intensity than those calculated by the theory. Such difference is attributed to disorder effects produced during the doping process which results in break down of momentum conservation rules.

Os resultados apresentados neste trabalho estão sistematizados em três partes. Em uma primeira etapa, efetuamos um estudo sistemático do comportamento da estrutura eletrônica em super-redes de deltas em função do período da super-rede e em função da concentração planar de dopantes. Uma nova abordagem, que se baseia no método celular e na solução autoconsistente das equações de Schroedinger e de Poisson, foi desenvolvida e aplicada para super-redes com dopagem planar tipo n em GaAs e em silício. Em ambos os casos, foi observada a transição de um comportamento eletrônico de caráter bi- para tridimensional conforme o período da super- rede diminui. No caso de super-redes de deltas de Si em GaAs foi empreendido o cálculo da energia de corte nos espectros de fotoluminescência de excitação. Uma boa concordância com as medidas experimentais foi obtida. O estudo da estrutura eletrônica para o caso de super-rede de deltas de Sb em Si foi pioneiro. Isto tornou os resultados de nossa investigação teórica de importância fundamental para experimentais e teóricos atuando na 6rea. A concordância entre nossas previsões teóricas e dados experimentais da literatura demonstram a consistência e o poder da abordagem desenvolvida. Em uma segunda etapa, foi efetuado o estudo da distribuição espacial do campo elétrico interno em heteroestruturas contendo camadas tipo \"bulk\", compostas por GaAs e (A1Ga)As. Uma nova abordagem foi desenvolvida para a execuqi3o de cálculos dos perfis de potencial eletrostático e de campo elétrico, sem assumir a ionização total dos dopantes e a não-degenerescência do material. Nosso método transforma a equação de Poisson em uma equação integral que deve ser resolvida autoconsistentemente. Os exemplos numéricos demonstram a aplicabilidade de nossa abordagem a sistemas reais. Perfis do campo elétrico calculados são usados para interpretar os espectros de fotorefletância. Em uma terceira etapa, a teoria geral da fotorefletância de heteroestruturas semicondutoras foi desenvolvida neste trabalho para tornar a interpretação de espectros de fotorefletância precisa e de aplicação eficiente. Um novo metodo de cdculo do coeficiente de reflexgo na presenga de inomogeneidade espacial da funggo dieletrica no interior de cada camada fmeceu um novo patamar de cornpreens20 dos espectros de fotorefletiincia. Este metodo e baseado na construgiio de uma matriz de transferhcia que iraclui as inomogeneidades no interior da camada de um mod0 integral. Portanto, para descrever uma camada de heteroestrutura e preciso ter apenas uma ma& de transferencia. 0s resultados de simulag6es numericas de espectros da fotoreflethcia estilo em uma concordhcia bastante boa com aqueles obtidos atravb de medidas opticas. A eficiencia de nosso metodo o torna aplicavel a simulag6es tip0 \"on-line\". 0s resultados dos metodos anteriores sgo reproduzidos como casos limites de nossa abordagem geral. / The results presented in this work can be displayed along the following three lines. In the first we performed a systematical study of the electronic structure behavior in delta superlattices as a function of superlattice period and sheet doping concentration. A new approach, based on the cellular method and on the selfconsistent solution of Schroedinger and Poisson equations, was developed and applied to superlattices with n-type delta doping in GaAs and silicon. In both cases, a transition from bi- to three- dimensional electronic behavior with the decrease of superlattice period was observed. For Si delta-doping superlattices in GaAs we performed calculations of the energy threshold in the photoluminescence excitation spectra. A good agreement with experimentally measured values was observed. Our investigation of the electronic structure of Sb delta-doping superlattices in Si was a pioneer theoretical study. Due to thls fact, the results of our work are of great importance for experimentalists and theoreticians acting in this area. The agreement between our theoretical predictions and the available experimental data demonstrates the consistency and the power of the developed approach. Along the second line we studied electric field spatial distribution inside of heterosinctures containing bulk layers of GaAs and (A1Ga)As. A new approach was developed to calculate the electrostatic potential and electric field profiles, providing the possibility to take .into account the incomplete ionization of impurities and the degeneracy of the materials. Our method transforms the Poisson equation into an integral equation, which must be solved selfconsistently. Numerical examples show the way to apply our approach to real systems. Internal electric field proiiles, calculated by means of our method are used to interpret photoreflectance spectra. In the third line, a general theory of photoreflectance for semiconductor heterostructures was developed in this work to make the interpretation of fotoreflectance spectra more precise and straightfornard. A new method to calculate the reflection coefficient in the presence of weak spatial inhomogenities of the dielectrical function inside each layer, provided us with a new degree of comprehension of the photoreflectance spectra. This method is based on the construction of a transfer matrix which includes the inhomogenities inside the layer in an integral way. This explains why we need only one matrix to describe one layer of the heterostructure. Results of our numerical simulations are in very good agreement with data of optical measurements. The efficiency of our method makes it suitable for on-line simulations. The results of previous methods emerge from our general approach as limit cases.

Made available in DSpace on 2015-03-03T15:16:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FabioFM.pdf: 1004422 bytes, checksum: 4a200083b0d18fa8ca10e38ed87cbbe3 (MD5) Previous issue date: 2007-10-17 / The study of the elementary excitations such as photons, phonons, plasmons, polaritons, polarons, excitons and magnons, in crystalline solids and nanostructures systems are nowdays important active ?eld for research works in solid state physics as well as in statistical physics. With this aim in mind, this work has two distinct parts. In the ?rst one, we investigate the propagation of excitons polaritons in nanostructured periodic and quasiperiodic multilayers, from the description of the behavior for bulk and surface modes in their individual constituents. Through analytical, as well as computational numerical calculation, we obtain the spectra for both surface and bulk exciton-polaritons modes in the superstructures. Besides, we investigate also how the quasiperiodicity modi?es the band structure related to the periodic case, stressing their amazing self-similar behavior leaving to their fractal/multifractal aspects. Afterwards, we present our results related to the so-called photonic crystals, the eletromagnetic analogue of the electronic crystalline structure. We consider periodic and quasiperiodic structures, in which one of their component presents a negative refractive index. This unusual optic characteristic is obtained when the electric permissivity and the magnetic permeability ? are both negatives for the same range of angular frequency ? of the incident wave. The given curves show how the transmission of the photon waves is modi?ed, with a striking self-similar pro?le. Moreover, we analyze the modi?cation of the usual Planck?s thermal spectrum when we use a quasiperiodic fotonic superlattice as a ?lter. / O estudo das excita??es elementares (f?tons, f?nons, plasmons, polaritons, polarons, excitons e magnons) em s?lidos cristalinos e sistemas nanoestruturados, entre os quais destacamos os materiais isolantes, semicondutores e magn?ticos, constitui um importante campo ativo na pesquisa em f?sica do estado s?lido e em f?sica estat?stica. Dentro deste escopo, este trabalho possui duas vertentes distintas. Na primeira parte, estudamos a propagac?o dos polaritons de excitons em sistemas nanoestruturados formados por multicamadas peri?dicas e quasiperi?dicas, a partir da descri??o do comportamento dos seus modos de volume e de superf?cie em seus constituintes individuais. Atrav?s de c?lculo anal?tico e num?rico computacional, obtemos inicialmente os espectros de frequ?ncia dos polaritons de excitons nestas superestruturas. Posteriormente, investigamos como a quasiperiodicidade modifica a sua estrutura de bandas em rela??o ao caso peri?dico, induzindo os seus espectros a uma forma auto-similar, caracterizando a sua fractalidade/multifractalidade. Na segunda parte, apresentamos nossos resultados relacionados com os chamados cristais fot?nicos, o an?logo eletromagn?tico aos sistemas cristalinos eletr?nicos. Vamos considerar os cristais fot?nicos peri?dicos e quasiperi?dicos, onde um dos seus componentes possui ?ndice de refra??o negativo. Esta caracter?stica ?ptica inusitada ? obtida quando a permissividade el?trica e a permeabilidade magn?tica ? s?o ambas negativas para a mesma faixa de frequ?ncia angular ? da onda incidente. As curvas obtidas mostram como a transmiss?o da onda eletromagn?tica se modifica neste caso, com interessantes aspectos auto-similares. Al?m disso, analisamos as modifica??es do espectro t?rmico de Planck usual, utilizando uma super-rede fot?nica quasiperi?dica como filtro