Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2016-12-15T18:17:06Z No. of bitstreams: 1 IsaacDeMacedoFelix_DISSERT.pdf: 16244301 bytes, checksum: 298e0141a76245a28ff867f88d1a8925 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2016-12-20T21:18:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 IsaacDeMacedoFelix_DISSERT.pdf: 16244301 bytes, checksum: 298e0141a76245a28ff867f88d1a8925 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-20T21:18:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 IsaacDeMacedoFelix_DISSERT.pdf: 16244301 bytes, checksum: 298e0141a76245a28ff867f88d1a8925 (MD5) Previous issue date: 2016-03-29 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior (CAPES) / A capacidade de manipular propriedades t?rmicas de super-redes pode ajudar na descoberta de materiais mais promissores para aplica??es na nanotecnologia. Por meio de simula??es de din?mica molecular de n?o-equil?brio, investigamos o transporte t?rmico em nanofitas BNC, revezando periodicamente quantidades equivalentes de grafeno e nitreto de boro ao longo do seu comprimento, nomeando de per?odo de rede o tamanho de cada par de dom?nio (grafeno-nitreto de boro). Este trabalho revela que a condutividade t?rmica nessa super-rede varia n?o-monotonicamente com o per?odos de rede, podendo dessa forma ser controlada de acordo com os dom?nios de grafeno e nitreto de boro. Isso possibilita identificar o per?odo de rede que fornece a menor condu??o de calor nessa super-rede. Nesse sentido, para nanofitas com per?odo de rede de 3,43 nm, registramos uma condutividade t?rmica de ~ 89 W/m?K. Este valor ? muito menor do que o encontrado para grafeno e nitreto de boro isolados. O transporte t?rmico em nanofitas BNC ? dominado por vibra??es na sua rede cristalina (f?nons). Associamos o comportamento n?o-monot?nico da condutividade t?rmica dessa super-rede com o transporte t?rmico de f?nons coerentes e incoerentes. Por meio da densidade de estados vibracionais (VDOS) e da dispers?o de f?nons, analisamos seu espectro vibracional. / The ability to manipulate thermal properties of superlattices can help in finding the most promising materials for applications in nanotechnology. Through nonequilibrium molecular dynamics simulations, we investigate the thermal transport in graphene-boron nitride nanoribbons (BNC nanoribbons), alternating periodically equivalent amounts of graphene and boron nitride along its length, by naming the size of each domain pair (graphene-boron nitride) a lattice period. This work shows that the thermal conductivity in BNC nanoribbons varies non-monotonically for different lattice periods, which can thus be controlled according to the domains of graphene and boron nitride. This allows the identification of a lattice period that provides the lowest heat conduction in these superlattices. Accordingly, for nanoribbons with lattice period 3; 43 nm, we find a thermal conductivity of 89 W=m K. This value is much lower than the value found for both graphene and boron nitride isolated. The thermal transport in BNC nanoribbons is dominated by vibrations in their crystal lattice (phonons). We associate this non-monotonic behavior of the thermal conductivity of this super-lattice with the thermal transport of coherent and incoherent phonons. Through the density of vibrational states (VDOS) and phonon dispersion we analyze its vibrational spectrum.

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.

A dinêmica caótica, em arranjos de bilhares eletrônicos bidimensionais e tridimensionais , em heteroestruturas semicondutoras de AlxGa1-xAs/GaAs foi estudada tanto de forma experimental como através de simulações numéricas. Como primeira parte, a dinâmica eletrônica caótica em super-redes de antipontos bidimensionais foi tratada sob a influência de campo magnético uniforme aplicado de forma pararela ao plano do gás de elétrons. Nestas circunstâncias, a anisotropia do contorno de Fermi do gás bidimensional de elétrons produzida pelo campo magnético pararelo, distorce fortemente a forma das trajetórias eletrônicas induzindo mudanças drásticas nas oscilações de comensurabilidade da magnetoresistência na região de campo fraco, em temperaturas criogênicas. Como segunda parte, arranjos de bilhares eletrônicos tridimensionais foram realizadas, pela primeira vez, através da gravação de super-redes retangulares de buracos mecânicos cilíndricos em poços quânticos parabólicos, os quais contêm o gás tridimensional de elétrons de alta mobilidade. Medidas de resistividade nestes sistemas revelam a presença de picos anomalos na região de campo fraco, em forma similar às medições em sistemas de antipontos bidimensionais. Foi calculada a dinâmica eletrônica do bilhar tridimensional analisando -se a evolução das trajetórias no espaço de fases através das seções espaciais de Poincaré. Calculou-se também a magnetoresistência pxx do gás tridimensional através da teoria de resposta linear, encontrando-se que a presença de ressonância não lineares é refletida nos picos anômalos observados. A realização destes sistemas permitiu o estudo de fenômenos físicos novos como as oscilações de comensurabilidade em sistemas tridimensionais e os efeitos de tamanho galvano-magnéticos devido às ressonâncias geométricas. / The chaotic electron dynamics in two-dimensional and three-dimensional arrays of elec­ tron billiards in ALx Ga1-xAs/GaAs semiconductor heterostructures has been studied in experimental way and also through numerical simulations. As a first part, the chaotic electron dynamics in two-dimensional antidot super-lattices has been studied under the influence of a uniform magnetic field applied in parallel configuration related to the plane of the electron gas. In this case, the Fermi contour anisotropy of the two-dimensional elec­ tron gas induced by the parallel field highly distorts the shape of the electron trajectories inducing pronounced changes in the commensurability peaks of the low field magnetoresis­ tance, in cryogenic temperatures. In the second part, arrays of three dimensional electron billiards were obtained, by first time, through the patterning of rectangular super-lattices of cylindrical voids in ALx Ga1-xAs/GaAs parabolic quantum wells containing a high mo­ bility three-dimensional electron gas. Resistivity measurements in these systems reveal anomalous peaks in the low magnetic field region in similar way as measurements in two-dimensional antidots systems. The electron dynamics of the three-dimensional bil­ liard was calculated, analyzing the evolution of trajectories in phase space by means of Poincaré space of sections. The magnetoresistance xx of the three-dimensional electron gas was calculated through linear responde theory, being found that nonlinear resonances are reflected in the observed anomalous peaks. The accomplishment os these systems allowed the study of new physical phenomena such as the commensurability oscillations in three-dimensional systems and size-effects due to geometrical resonances.

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.

A dinêmica caótica, em arranjos de bilhares eletrônicos bidimensionais e tridimensionais , em heteroestruturas semicondutoras de AlxGa1-xAs/GaAs foi estudada tanto de forma experimental como através de simulações numéricas. Como primeira parte, a dinâmica eletrônica caótica em super-redes de antipontos bidimensionais foi tratada sob a influência de campo magnético uniforme aplicado de forma pararela ao plano do gás de elétrons. Nestas circunstâncias, a anisotropia do contorno de Fermi do gás bidimensional de elétrons produzida pelo campo magnético pararelo, distorce fortemente a forma das trajetórias eletrônicas induzindo mudanças drásticas nas oscilações de comensurabilidade da magnetoresistência na região de campo fraco, em temperaturas criogênicas. Como segunda parte, arranjos de bilhares eletrônicos tridimensionais foram realizadas, pela primeira vez, através da gravação de super-redes retangulares de buracos mecânicos cilíndricos em poços quânticos parabólicos, os quais contêm o gás tridimensional de elétrons de alta mobilidade. Medidas de resistividade nestes sistemas revelam a presença de picos anomalos na região de campo fraco, em forma similar às medições em sistemas de antipontos bidimensionais. Foi calculada a dinâmica eletrônica do bilhar tridimensional analisando -se a evolução das trajetórias no espaço de fases através das seções espaciais de Poincaré. Calculou-se também a magnetoresistência pxx do gás tridimensional através da teoria de resposta linear, encontrando-se que a presença de ressonância não lineares é refletida nos picos anômalos observados. A realização destes sistemas permitiu o estudo de fenômenos físicos novos como as oscilações de comensurabilidade em sistemas tridimensionais e os efeitos de tamanho galvano-magnéticos devido às ressonâncias geométricas. / The chaotic electron dynamics in two-dimensional and three-dimensional arrays of elec­ tron billiards in ALx Ga1-xAs/GaAs semiconductor heterostructures has been studied in experimental way and also through numerical simulations. As a first part, the chaotic electron dynamics in two-dimensional antidot super-lattices has been studied under the influence of a uniform magnetic field applied in parallel configuration related to the plane of the electron gas. In this case, the Fermi contour anisotropy of the two-dimensional elec­ tron gas induced by the parallel field highly distorts the shape of the electron trajectories inducing pronounced changes in the commensurability peaks of the low field magnetoresis­ tance, in cryogenic temperatures. In the second part, arrays of three dimensional electron billiards were obtained, by first time, through the patterning of rectangular super-lattices of cylindrical voids in ALx Ga1-xAs/GaAs parabolic quantum wells containing a high mo­ bility three-dimensional electron gas. Resistivity measurements in these systems reveal anomalous peaks in the low magnetic field region in similar way as measurements in two-dimensional antidots systems. The electron dynamics of the three-dimensional bil­ liard was calculated, analyzing the evolution of trajectories in phase space by means of Poincaré space of sections. The magnetoresistance xx of the three-dimensional electron gas was calculated through linear responde theory, being found that nonlinear resonances are reflected in the observed anomalous peaks. The accomplishment os these systems allowed the study of new physical phenomena such as the commensurability oscillations in three-dimensional systems and size-effects due to geometrical resonances.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:15:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FabioFM.pdf: 1459636 bytes, checksum: 4f2bb557c6a5bddb80e46f325bd5b4dd (MD5) Previous issue date: 2004-12-03 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / In this work we study the spectrum (bulk and surface modes) of exciton-polaritons in infinite and semi-infinite binary superlattices (such as, ???ABABA???), where the semiconductor medium (A), whose dielectric function depends on the frequency and the wavevector, alternating with a standard dielectric medium B. Here the medium A will be modeled by a nitride III-V semiconductor whose main characteristic is a wide-direct energy gap Eg. In particular, we consider the numerical values of gallium nitride (GaN) with a crystal structure wurtzite type. The transfer-matrix formalism is used to find the exciton-polariton dispersion relation. The results are obtained for both s (TE mode: transverse electric) and p (TM mode: transverse magnetic) polarizations, using three diferent kind of additional boundary conditions (ABC1, 2 e 3) besides the standard Maxwell's boundary conditions. Moreover, we investigate the behavior of the exciton-polariton modes for diferent ratios of the thickness of the two alternating materials forming the superlattice. The spectrums shows a confinement of the exciton-polariton modes due to the geometry of the superlattice. The method of Attenuated Total Reflection (ATR) and Raman scattering are the most adequate for probing this excitations / Neste trabalho estudamos o espectro (modos de volume e de superf?cie) dos polaritons de exciton em uma super-rede bin?ria infinita e semi-infinita (tal como, ???ABABA???), onde um meio semicondutor (A), cuja fun??o diel?trica depende da frequ?ncia e do vetor de onda, alterna-se com um diel?trico comum (B). Aqui, o meio A ser? modelado por um semicondutor da fam?lia dos nitretos (semicondutor III-V) que tem como caracter?stica principal um gap de energia (Eg) direto e largo. Em particular, consideramos os valores num?ricos para o nitreto de g?lio (GaN) com uma estrutura cristalina tipo wurtzite. A t?cnica da matriz de transfer?ncia ? utilizada para encontrarmos a rela??o de dispers?o do polariton de exciton. Os resultados s?o obtidos para os modos de polariza??o s (ou modo TE: transversal el?trico) e p (ou modo TM: transversal magn?tico), usando tr?s diferentes condi??es de contorno adicionais (ABC1, 2 e 3), mais as condi??es de contorno padr?es de Maxwell. Al?m disso, investigamos o comportamento dos modos do polariton de exciton para diferentes raz?es entre as espessuras das camadas dos dois materiais que comp?em a super-rede Os espectros encontrados evidenciam um comportamento de confinamento dos polaritons de exciton devido ?s geometrias empregadas. As t?cnicas experimentais ATR ("Attenuated Total Reflection") e o espalhamento Raman s?o as mais adequadas para a caracteriza??o dessas excita??es