Submitted by Automação e Estatística (sst@bczm.ufrn.br) on 2018-04-11T21:04:12Z No. of bitstreams: 1 FranciscoAdrianoDeLimaSantiago_TESE.pdf: 69694068 bytes, checksum: e93c3a9e9df48e10198d801693037647 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2018-04-17T21:16:12Z (GMT) No. of bitstreams: 1 FranciscoAdrianoDeLimaSantiago_TESE.pdf: 69694068 bytes, checksum: e93c3a9e9df48e10198d801693037647 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-17T21:16:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FranciscoAdrianoDeLimaSantiago_TESE.pdf: 69694068 bytes, checksum: e93c3a9e9df48e10198d801693037647 (MD5) Previous issue date: 2018-01-25 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Nesta tese apresentamos um estudo teórico da propagação de magnons no regime magnetostático e de ondas eletromagnéticas em super-redes aperiódicas de terras raras formadas pelo disprósio (Dy) e o hólmio (Ho). As super-redes estudadas são a quasiperiódica de Fibonacci e as aperiódicas determinísticas de Thue-Morse e Período-Duplo, sendo todas elas construídas através do empilhamento periódico de células unitárias, as quais são formadas por uma regra substitucional de duas camadas do tipo A/B, em que essa regra depende do tipo de sequência considerada para construção da super-rede. Em consequência do empilhamento das células unitárias ser periódico é possível aplicar nestas estruturas o teorema de Bloch, que junto com o método da matriz-transferência, nos permite encontrar os modos Magnetostáticos de volume e superfície. Estes modos apresentam um comportamento auto-similar das bandas de volume, assim, no limite do número de geração N ser muito grande, esses espectros se tornam um conjunto fractal do tipo Cantor. Também foi verificado propriedades de escala e localização desses modos, que são diferentes para o Dy e Ho. Na propagação de ondas eletromagnéticas analisamos o espectro óptico de reflexão (ou reflectância) para as mesmas super-redes de terra rara. Usamos aqui o modelo de Drude para determinar a função dielétrica das terras raras, que são metais, portanto temos que a reflexão é dominante para esses sistemas. Também usamos as equações de Maxwell e o método da matriz-transferência, que nos permite obter os coeficientes de reflexão. Portanto, analisamos nessas estruturas os espectros para a incidência normal de ondas s-polarizadas (ondas TE) e p-polarizadas (ondas TM), onde observou-se que apresentam um comportamento auto-similar e uma simetria espelho nos seus espectros na região do infravermelho próximo, com a reflectância coincidindo para ambas polarizações. Já na incidência oblíqua verificou-se que a reflectância é sensível à variação do ângulo, variando também com o tipo de super-rede e com a geração da mesma, onde os espectros são diferentes para o Dy e Ho. Na região do infravermelho distante vimos que a reflectância é dominante nas terras raras, como é esperado para os metais.

O objetivo deste trabalho é a produção e caracterização de filmes finos de Zircônia (ZrO2) dopada com íons terras raras Er3+, Pr3+ estabilizante de fase y3+. Os filmes foram produzidos por evaporação térmica através de canhão de elétrons (EB-PVD) em um sistema não comercial de evaporação desenvolvido em nosso laboratório, onde conseguimos produzir de maneira eficiente e com boa qualidade filmes de até 7,0 pm de espessura. Além da Zircônia na forma de filmes finos, investigamos também pastilhas policristalinas e fibras monocristalinas de ZrO2 fazendo um estudo em paralelo do material nos três grupos de amostras, observando os efeitos estruturais e de luminescência em relação a configuração (monocristalina ou policristalina) de cada amostra. As pastilhas de Zircônia dopada foram produzidas por prensagem e sinterização dos pós dos componentes óxidos metálicos com a finalidade de serem evaporadas por canhão de elétrons para a produção dos filmes, e verificamos intensa luminescência nestas amostras quando excitadas por Laser. As fibras monocristalinas foram produzidas pela técnica de LHPG (Laser Heated Pedestal Growth) onde obtém-se um monocristal de Zircônia pela fusão a Laser de CO2, da cerâmica na forma de bastões. Como pouca informação sobre filmes finos de Zircônia dopada com Terras Raras foi reportada até agora, nossa atenção fica voltada sobre a caracterização do material através de microscopia eletrônica e difração de Raio-X como também medidas de luminescência. / The aim of this work is the production and characterization of Rare Earth Stabilized Zirconia (RESZ) and Rare Earth Yttria Stabilized Zirconia (RE-YSZ) thin films. Thin films were produced by Electron Beam Gun (EB-PVD) in a non commercial evaporation system developed in our laboratory, where we have efficiently produced good Zirconia thin films up to 7.0 pm in thickness. Doped Zirconia pellets and single crystal fibers were investigated in a parallel study with the thin films and the luminescent and structural behavior of these materials have been analyzed. The pellets were produced by pressing and sintering the mixed oxides powders and it was used as evaporation source for thin film production in the electron beam gun, and intense luminescence was observed in these samples when excited by Laser. The single crystal fibers were obtained by Laser Heated Pedestal Growth (LKPG) method, using ceramic extruded rods that were fused by C02 Laser. As few information on Rare Earth Doped Zirconia thin films were reported, we have focused our attention on the structural characterization through electron microscopy and X-Ray diffraction as also luminescence.

Nesse trabalho foram produzidas nanopartículas (NPs) de Gd2O3 e Er2O3 para aplicação como radiossensibilizadores em feixes de radioterapia. Elas foram sintetizadas no Laboratório de Interações Hiperfinas do IPEN pelo método da decomposição térmica e caracterizadas utilizando difração de raios-X, para verificar a estrutura cristalina, microscopia eletrônica de transmissão, para obter informações sobre forma, tamanho e distribuição de tamanho, análise por ativação neutrônica, por meio da qual foi possível determinar a pureza das amostras e calcular a concentração de gadolínio e érbio. Medições de magnetização e de espectroscopia de correlação angular γ-γ perturbada (PAC) foram realizadas a fim de estudar o comportamento magnético e a interação quadrupolar das partículas, respectivamente. Os resultados da caracterização mostram a formação de uma estrutura cristalina do tipo bixbyite, com aproximadamente 5 nm de diâmetro e estreita distribuição de tamanho, para as amostras pós-síntese. A determinação da massa de terra-rara em cada amostra foi importante para realizar a normalização nas medições de susceptibilidade magnética, tornando possível a visualização de um grande aumento na magnetização abaixo de 30 K, nas amostras pós-síntese, o que não é observado em partículas maiores, além de um aumento no momento magnético efetivo das NPs em relação aos respectivos bulks e uma mudança na temperatura de ordenamento antiferromagnético para o Er2O3. Os resultados da espectroscopia PAC evidenciam possíveis efeitos de superfície. A falta de uma frequência bem definida nas amostras de 5 nm indicam que a quantidade de 111In(111Cd) na superfície da partícula é maior do que no interior da mesma, fazendo com que a interação hiperfina do núcleo de prova com o host não seja evidente. Já a união da técnica de difração de raios-X com a espectroscopia PAC foi fundamental para o entendimento do dano causado às partículas pela irradiação com 60Co. Quanto às medições de radiossensibilização a dosimetria Fricke gel foi fundamental para a verificação de um fator de aumento de dose (DEF) de até 1,67 e 1,09 para NPs de Gd2O3 irradiadas com 60Co e 6MV, respectivamente. Nas mesmas condições, para as amostras de Er2O3, foram encontrados valores de DEF de até 1,37 e 1,06. Isso comprova os efeitos radiossensibilizadores dessas NPs. Os resultados alcançados nesse trabalho não apenas fornecem dados importantes para o estudo de NPs de terra-rara na área de física da matéria condensada como também uma base sólida para a aplicação desses elementos como radiossensibilizadores em feixes de radioterapia, possibilitando a utilização da imagem por ressonância magnética para localizar e obter a concentração dessas NPs dentro do paciente, aumentando assim a eficiência do tratamento do câncer. / In this study Gd2O3 and Er2O3 nanoparticles were produced for application as radiosensitizers in radiotherapy beams. They were synthesized at the Hyperfine Interactions Laboratory, IPEN, using thermal decomposition method and characterized by X-ray diffraction, to verify crystalline structure, transmission electron microscopy, to obtain information about shape, size and size distribution, neutron activation analysis, whereby it was possible to determine samples purity and gadolinium and erbium concentration. Magnetization and perturbed γ-γ angular correlation (PAC) measurements were performed in order to study particles magnetic behavior and quadrupole interactions, respectively. Characterization results showed a bixbyite structure, 5 nm diameter post-synthesis particles with narrow size distribution. Rare-earth mass determination in each sample was important to perform normalization in magnetic susceptibility measurements, making possible the view of a high magnetization under 30 K for post-synthesis samples, what was not observed in larger particles, together with an effective magnetic moment enhancement for nanoparticles, not seen in bulk samples, and a change in the antiferromagnetic ordering temperature for Er2O3. PAC spectroscopy results show possible surface effects. The absence of a well-defined frequency in 5 nm samples indicates the amount of 111In(111Cd) at particle surface is bigger than in the core, resulting in a non-evident hyperfine interaction between the probe nuclei and the host. The X-ray diffraction and PAC spectroscopy joint was vital to understand the particles structural damage caused by 60Co irradiation. About radiosensitizer measurements a dose enhancement factor (DEF) of up to 1,67 and 1,09 for Gd2O3 nanoparticles under 60Co and 6MV irradiation, respectively, were observed. Under same conditions DEF values of up to 1,37 and 1,06 were found for Er2O3 samples. Results reached in this study provide not only important data for rare-earth oxides study in condensed matter physics but also a solid ground for the application of these elements as radiosensitizers in radiotherapy beams, allowing the use of magnetic resonance imaging to locate and obtain the concentration of these particles inside patient body, increasing cancer treatment efficiency.

Nesse trabalho foram produzidas nanopartículas (NPs) de Gd2O3 e Er2O3 para aplicação como radiossensibilizadores em feixes de radioterapia. Elas foram sintetizadas no Laboratório de Interações Hiperfinas do IPEN pelo método da decomposição térmica e caracterizadas utilizando difração de raios-X, para verificar a estrutura cristalina, microscopia eletrônica de transmissão, para obter informações sobre forma, tamanho e distribuição de tamanho, análise por ativação neutrônica, por meio da qual foi possível determinar a pureza das amostras e calcular a concentração de gadolínio e érbio. Medições de magnetização e de espectroscopia de correlação angular γ-γ perturbada (PAC) foram realizadas a fim de estudar o comportamento magnético e a interação quadrupolar das partículas, respectivamente. Os resultados da caracterização mostram a formação de uma estrutura cristalina do tipo bixbyite, com aproximadamente 5 nm de diâmetro e estreita distribuição de tamanho, para as amostras pós-síntese. A determinação da massa de terra-rara em cada amostra foi importante para realizar a normalização nas medições de susceptibilidade magnética, tornando possível a visualização de um grande aumento na magnetização abaixo de 30 K, nas amostras pós-síntese, o que não é observado em partículas maiores, além de um aumento no momento magnético efetivo das NPs em relação aos respectivos bulks e uma mudança na temperatura de ordenamento antiferromagnético para o Er2O3. Os resultados da espectroscopia PAC evidenciam possíveis efeitos de superfície. A falta de uma frequência bem definida nas amostras de 5 nm indicam que a quantidade de 111In(111Cd) na superfície da partícula é maior do que no interior da mesma, fazendo com que a interação hiperfina do núcleo de prova com o host não seja evidente. Já a união da técnica de difração de raios-X com a espectroscopia PAC foi fundamental para o entendimento do dano causado às partículas pela irradiação com 60Co. Quanto às medições de radiossensibilização a dosimetria Fricke gel foi fundamental para a verificação de um fator de aumento de dose (DEF) de até 1,67 e 1,09 para NPs de Gd2O3 irradiadas com 60Co e 6MV, respectivamente. Nas mesmas condições, para as amostras de Er2O3, foram encontrados valores de DEF de até 1,37 e 1,06. Isso comprova os efeitos radiossensibilizadores dessas NPs. Os resultados alcançados nesse trabalho não apenas fornecem dados importantes para o estudo de NPs de terra-rara na área de física da matéria condensada como também uma base sólida para a aplicação desses elementos como radiossensibilizadores em feixes de radioterapia, possibilitando a utilização da imagem por ressonância magnética para localizar e obter a concentração dessas NPs dentro do paciente, aumentando assim a eficiência do tratamento do câncer. / In this study Gd2O3 and Er2O3 nanoparticles were produced for application as radiosensitizers in radiotherapy beams. They were synthesized at the Hyperfine Interactions Laboratory, IPEN, using thermal decomposition method and characterized by X-ray diffraction, to verify crystalline structure, transmission electron microscopy, to obtain information about shape, size and size distribution, neutron activation analysis, whereby it was possible to determine samples purity and gadolinium and erbium concentration. Magnetization and perturbed γ-γ angular correlation (PAC) measurements were performed in order to study particles magnetic behavior and quadrupole interactions, respectively. Characterization results showed a bixbyite structure, 5 nm diameter post-synthesis particles with narrow size distribution. Rare-earth mass determination in each sample was important to perform normalization in magnetic susceptibility measurements, making possible the view of a high magnetization under 30 K for post-synthesis samples, what was not observed in larger particles, together with an effective magnetic moment enhancement for nanoparticles, not seen in bulk samples, and a change in the antiferromagnetic ordering temperature for Er2O3. PAC spectroscopy results show possible surface effects. The absence of a well-defined frequency in 5 nm samples indicates the amount of 111In(111Cd) at particle surface is bigger than in the core, resulting in a non-evident hyperfine interaction between the probe nuclei and the host. The X-ray diffraction and PAC spectroscopy joint was vital to understand the particles structural damage caused by 60Co irradiation. About radiosensitizer measurements a dose enhancement factor (DEF) of up to 1,67 and 1,09 for Gd2O3 nanoparticles under 60Co and 6MV irradiation, respectively, were observed. Under same conditions DEF values of up to 1,37 and 1,06 were found for Er2O3 samples. Results reached in this study provide not only important data for rare-earth oxides study in condensed matter physics but also a solid ground for the application of these elements as radiosensitizers in radiotherapy beams, allowing the use of magnetic resonance imaging to locate and obtain the concentration of these particles inside patient body, increasing cancer treatment efficiency.

Neste trabalho estudamos as propriedades físicas das impurezas de elementos de terra rara (TR) nos cristais de GaN, nas estruturas cristalinas zincblenda e wurtzita, e de ZnO. Para tal, consideramos as impurezas de Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er e Tm substitucionais no sítio do cátion (Ga ou Zn), pois esta posição é mais estável do que no sítio do ânion (N ou O). As investigações foram efetuadas através de simulações computacionais baseadas em métodos de primeiros princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade e utilizando o método FP-LAPW (Full Potential Linear Augmented Plane Waves), implementado no código computacional WIEN2k, dentro do esquema de supercélula, com relaxações atômicas tratadas de modo apropriado. No tratamento dos estados de valência 3d (Ga ou Zn) e 4f dos átomos de TR foi introduzida uma correção local de Hubbard, para levar em conta efeitos de alta correlação eletrônica. Inicialmente, estudamos as propriedades eletrônicas e estruturais dos elementos de TR em suas fases metálicas. Estes resultados serviram para validar a metodologia de obtenção dos valores dos parâmetros U de Hubbard de modo autoconsistente, pois para este grupo de materiais existem resultados experimentais. Comparando a localização e o desdobramento entre os estados ocupados e desocupados relacionados aos orbitais 4f, em relação ao nível de Fermi dos sistemas, obteve-se uma ótima concordância. Nossos resultados para os sistemas dopados, utilizando a correção do potencial U de Hubbard, mostram que a suas descrições estão adequadas. Somente com a introdução da correção é possível localizar corretamente, em relação ao topo da banda de valência, os estados ocupados e desocupados relacionados aos orbitais 4f. Estes resultados estão de acordo com esquemas propostos na literatura, mostrando que o estado de oxidação das impurezas de TR é trivalente e que, em geral, em ambos sistemas cristalinos, não há a introdução de níveis de energia na região do gap dos materiais. Nosso estudo da correção do potencial U de Hubbard, obtido autoconsistemente, na teoria do funcional da densidade, mostra que seus valores não são universais, dependendo do estado de carga e do ambiente em que o átomo está inserido. Mais ainda, mostra que o procedimento adotado é totalmente apropriado para descrever a correlação eletrônica dos elétrons 4f. / In this work we studied the physical properties of rare earth (RE) impurities in GaN, in the zincblend and the wurtzite crystal structures, and in ZnO. Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er and Tm substitutional impurities in the cation site (Ga or Zn) were considered, since this position is more stable than anion site (N or O). The investigations were carried out by computational simulations using ab initio methods, based on the density functional theory and the FP-LAPW (Full Potential Linear Augmented Plane Waves) method, as implemented in the WIEN2k code, considering the supercell approach and atomic relaxations. The 3d-Ga or 3d-Zn and the 4f-RE valence states were treated with the introduction of on-site Hubbard correction, in order to correctly describe the strongly correlated electrons. First, the electronic and structural properties of RE metallic systems were investigated and the results were compared with available experimental data, showing a good agreement. Those results helped to identify the appropriate procedure to compute the Hubbard U potential. This procedure should also provide a reliable description about the electronic properties of RE elements as impurities in semiconductors. Then, we have computed the properties of substitutional RE impurities in the cation site using the same methodology and procedures. The Hubbard U potential was necessary to correctly describe the position of the 4f occupied and unoccupied states, related to the valence band top. These results are in agreement with proposed electronic properties of RE doped GaN and ZnO found in the literature. The RE impurities oxidation states are in general trivalent in both crystal systems and introduce no energy levels in the gap region. Our Hubbard U potential correction, obtained in a self-consistent way, depends on the considered element and the neighborhood, and it is not an universal parameter. Moreover, our investigation shows that the adopted procedure is totally appropriate to describe the electronic correlation of the 4f electrons.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Nesta dissertação, foram investigadas as propriedades magnéticas e magnetocalóricas nos compostos intermetálicos de terras-raras Gd1-xDyxAl2 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 e 1.00) usando abordagens teórica e experimental. Do ponto de vista teórico, a série Gd1-xDyxAl2 foi descrita através de um modelo para o hamiltoniano magnético, incluindo o efeito Zeeman, interação de troca e a anisotropia de campo elétrico cristalino. As entropias da rede e eletrônica foram consideradas nas aproximações de Debye e de gás de elétrons livres, respectivamente. A parte experimental inclui a preparação do material, sua caracterização e medidas das quantidades magnéticas e magnetocalóricas. Os resultados experimentais e os cálculos teóricos da variação adiabática da temperatura (ΔTad) e da variação isotérmica da entropia (ΔS T), sob variações de campo magnético ao longo da direção de fácil magnetização, estão de bom acordo. O efeito da aplicação do campo magnético ao longo de uma direção de difícil magnetização foi estudado e as componentes da magnetização em função da temperatura foram investigadas. Também foi observado que a temperatura de reorientação de spin, TR, diminui quando a intensidade do campo magnético aumenta. Além disso, as concentrações molares ótimas de um material híbrido formado pelos compostos Gd1-xDyxAl2 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 e 1.00) foram simuladas usando um método numérico de matriz proposto por Smaili e Chahine. O compósito apresenta um bom intervalo de temperatura para um refrigerador magnético de 60 até 170 K. / In this work, the magnetic and magnetocaloric properties were investigated in the rare earth intermetallic compounds Gd1-xDyxAl2 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 e 1.00) using both theoretical and experimental approaches. From theoretical point of view, the Gd1-xDyxAl2 series was described through a magnetic model Hamiltonian including the Zeeman effect, exchange interaction and the crystalline electrical field anisotropy. The crystalline and electronic entropies were considered in Debye and free electrons gas approximations, respectively. The experimental work included the material preparation, characterization and measurements of magnetic and magnetocaloric quantities. Good agreement between experimental data and calculations were obtained for the adiabatic temperature change (ΔTad) and the isothermal entropy change (ΔS T), upon applied magnetic field changes along the easy magnetic direction. The effect of magnetic field applied along non easy magnetic direction was studied and the temperature dependence of the magnetization components was full investigated. Also, we observed that the spin reorientation temperature, TR, decreases when the magnetic field intensity increases. Besides, the optimal molar concentrations of the hybrid material formed by compounds Gd1-xDyxAl2 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 e 1.00) were simulated using numerical matrix method proposed by Smaïli and Chahine. The obtained composite presents a good temperature interval for magnetic refrigeration from 60 to 170 K.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Nesta dissertação, foram investigadas as propriedades magnéticas e magnetocalóricas nos compostos intermetálicos de terras-raras Gd1-xDyxAl2 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 e 1.00) usando abordagens teórica e experimental. Do ponto de vista teórico, a série Gd1-xDyxAl2 foi descrita através de um modelo para o hamiltoniano magnético, incluindo o efeito Zeeman, interação de troca e a anisotropia de campo elétrico cristalino. As entropias da rede e eletrônica foram consideradas nas aproximações de Debye e de gás de elétrons livres, respectivamente. A parte experimental inclui a preparação do material, sua caracterização e medidas das quantidades magnéticas e magnetocalóricas. Os resultados experimentais e os cálculos teóricos da variação adiabática da temperatura (ΔTad) e da variação isotérmica da entropia (ΔS T), sob variações de campo magnético ao longo da direção de fácil magnetização, estão de bom acordo. O efeito da aplicação do campo magnético ao longo de uma direção de difícil magnetização foi estudado e as componentes da magnetização em função da temperatura foram investigadas. Também foi observado que a temperatura de reorientação de spin, TR, diminui quando a intensidade do campo magnético aumenta. Além disso, as concentrações molares ótimas de um material híbrido formado pelos compostos Gd1-xDyxAl2 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 e 1.00) foram simuladas usando um método numérico de matriz proposto por Smaili e Chahine. O compósito apresenta um bom intervalo de temperatura para um refrigerador magnético de 60 até 170 K. / In this work, the magnetic and magnetocaloric properties were investigated in the rare earth intermetallic compounds Gd1-xDyxAl2 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 e 1.00) using both theoretical and experimental approaches. From theoretical point of view, the Gd1-xDyxAl2 series was described through a magnetic model Hamiltonian including the Zeeman effect, exchange interaction and the crystalline electrical field anisotropy. The crystalline and electronic entropies were considered in Debye and free electrons gas approximations, respectively. The experimental work included the material preparation, characterization and measurements of magnetic and magnetocaloric quantities. Good agreement between experimental data and calculations were obtained for the adiabatic temperature change (ΔTad) and the isothermal entropy change (ΔS T), upon applied magnetic field changes along the easy magnetic direction. The effect of magnetic field applied along non easy magnetic direction was studied and the temperature dependence of the magnetization components was full investigated. Also, we observed that the spin reorientation temperature, TR, decreases when the magnetic field intensity increases. Besides, the optimal molar concentrations of the hybrid material formed by compounds Gd1-xDyxAl2 (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75 e 1.00) were simulated using numerical matrix method proposed by Smaïli and Chahine. The obtained composite presents a good temperature interval for magnetic refrigeration from 60 to 170 K.

Neste trabalho estudamos as propriedades físicas das impurezas de elementos de terra rara (TR) nos cristais de GaN, nas estruturas cristalinas zincblenda e wurtzita, e de ZnO. Para tal, consideramos as impurezas de Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er e Tm substitucionais no sítio do cátion (Ga ou Zn), pois esta posição é mais estável do que no sítio do ânion (N ou O). As investigações foram efetuadas através de simulações computacionais baseadas em métodos de primeiros princípios dentro do formalismo da teoria do funcional da densidade e utilizando o método FP-LAPW (Full Potential Linear Augmented Plane Waves), implementado no código computacional WIEN2k, dentro do esquema de supercélula, com relaxações atômicas tratadas de modo apropriado. No tratamento dos estados de valência 3d (Ga ou Zn) e 4f dos átomos de TR foi introduzida uma correção local de Hubbard, para levar em conta efeitos de alta correlação eletrônica. Inicialmente, estudamos as propriedades eletrônicas e estruturais dos elementos de TR em suas fases metálicas. Estes resultados serviram para validar a metodologia de obtenção dos valores dos parâmetros U de Hubbard de modo autoconsistente, pois para este grupo de materiais existem resultados experimentais. Comparando a localização e o desdobramento entre os estados ocupados e desocupados relacionados aos orbitais 4f, em relação ao nível de Fermi dos sistemas, obteve-se uma ótima concordância. Nossos resultados para os sistemas dopados, utilizando a correção do potencial U de Hubbard, mostram que a suas descrições estão adequadas. Somente com a introdução da correção é possível localizar corretamente, em relação ao topo da banda de valência, os estados ocupados e desocupados relacionados aos orbitais 4f. Estes resultados estão de acordo com esquemas propostos na literatura, mostrando que o estado de oxidação das impurezas de TR é trivalente e que, em geral, em ambos sistemas cristalinos, não há a introdução de níveis de energia na região do gap dos materiais. Nosso estudo da correção do potencial U de Hubbard, obtido autoconsistemente, na teoria do funcional da densidade, mostra que seus valores não são universais, dependendo do estado de carga e do ambiente em que o átomo está inserido. Mais ainda, mostra que o procedimento adotado é totalmente apropriado para descrever a correlação eletrônica dos elétrons 4f. / In this work we studied the physical properties of rare earth (RE) impurities in GaN, in the zincblend and the wurtzite crystal structures, and in ZnO. Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er and Tm substitutional impurities in the cation site (Ga or Zn) were considered, since this position is more stable than anion site (N or O). The investigations were carried out by computational simulations using ab initio methods, based on the density functional theory and the FP-LAPW (Full Potential Linear Augmented Plane Waves) method, as implemented in the WIEN2k code, considering the supercell approach and atomic relaxations. The 3d-Ga or 3d-Zn and the 4f-RE valence states were treated with the introduction of on-site Hubbard correction, in order to correctly describe the strongly correlated electrons. First, the electronic and structural properties of RE metallic systems were investigated and the results were compared with available experimental data, showing a good agreement. Those results helped to identify the appropriate procedure to compute the Hubbard U potential. This procedure should also provide a reliable description about the electronic properties of RE elements as impurities in semiconductors. Then, we have computed the properties of substitutional RE impurities in the cation site using the same methodology and procedures. The Hubbard U potential was necessary to correctly describe the position of the 4f occupied and unoccupied states, related to the valence band top. These results are in agreement with proposed electronic properties of RE doped GaN and ZnO found in the literature. The RE impurities oxidation states are in general trivalent in both crystal systems and introduce no energy levels in the gap region. Our Hubbard U potential correction, obtained in a self-consistent way, depends on the considered element and the neighborhood, and it is not an universal parameter. Moreover, our investigation shows that the adopted procedure is totally appropriate to describe the electronic correlation of the 4f electrons.

Orientador: Luis Vicente de Andrade Scalvi / Resumo: Este trabalho visa apresentar o desenvolvimento e as principais conclusões referentes à combinação de heterojunções a base de GaAs com óxidos semicondutores, para aplicações em dispositivos optoeletrônicos. O texto foi dividido em duas partes principais, sendo a primeira parte voltada para a síntese e produção do SnO2, relacionada com a formação da heteroestrutura GaAs/SnO2; e a segunda parte é focada na produção dos ressonadores de onda acústicas de bulk,na ordem de GHz, a base de GaAs/ZnO. Na primeira parte, priorizou-se filmes de SnO2, que foram depositados por duas técnicas: sol-gel dip-coating e evaporação resistiva. Os filmes foram depositados sobre substratos de vidro soda-lime, e sobre substratos de GaAs, de quartzo e de a-SiO2. SnO2 foi também depositado sobre filme de GaAs depositado por sputtering. No caso da evaporação resistiva, a rota sol-gel é utilizada também para a preparação do pó que é utilizado como precursor para a evaporação resistiva de filmes de SnO2, combinando essas duas técnicas. Foram investigadas as propriedades ópticas e elétricas de filmes finos de SnO2 dopado com 1% de Er3+ e estruturas hibridas de GaAs/SnO2: Er3+. Entre os principais resultados, verificou-se: 1) espectros de luminescência diferentes do íon Er3+ ao se depositar SnO2 sobre substrato de vidro ou GaAs; 2) Microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva de raios-x (EDX) para filmes de SnO2, depositados por evaporação resistiva, atestaram uma relação... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work aims to present the development and the main conclusions obtained so far regarding the combination of GaAs-based heterojunctions with semiconductor oxides, for applications in optoelectronic devices. The text has been divided in two main parts, where the first one is related to the synthesis and production of SnO2, associated with the formation of the heterostructure GaAs/SnO2; and the second one if focused on the production of bulk acoustic wave resonators, with frequencies in GHz range, based on GaAs/ZnO. In the first part, attention was given to SnO2 films, deposited by two techniques: sol-gel dipcoating and resistive evaporation, on soda-lime glass substrates, and on GaAs, quartz and a-SiO2 substrates. SnO2 was also deposited on GaAs film deposited by sputtering. In the case of resistive evaporation, the sol-gel route is also used to prepare the powder which is used as a precursor for resistive evaporation of SnO2 films, then, by combining these two techniques. Optical and electrical properties of Er3+ -doped SnO2 thin films were investigated as well as the hybrid structure GaAs/SnO2 .Among the main results were: 1) different luminescence spectra of Er3+ ion when depositing SnO2 on glass or GaAs substrate; 2) scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) for SnO2 films deposited by resistive evaporation show a relationship of the thermal annealing temperature with the concentration of Er ions in the surface layers; 3) this con... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Observamos o comportamento espectral do efeito Kerr transversal, para filmes amorfos de terra rara - cobalto na região do espectro visível e ultravioleta próximo (comprimento de onda, , entre 325 nm e 670 nm), onde o sinal magnetoóptico apresentou um máximo na região azul do espectro. Concluímos que, para esta região espectral, a variação relativa de refletividade é proporcional à magnetização do cobalto e a constante de proporcionalidade depende da composição da liga e do comprimento de onda da luz. Desenvolvemos uma técnica de modulação de fase, própria para medir o efeito Kerr transversal e a comparamos com a técnica de modulação de amplitude. Montamos um magnetômetro a efeito Kerr que opera com a modulação de fase e utiliza um laser de He-Cd ( = 325 nm e 442 nm) ou um diodo laser vermelho ( = 670 nm). Fazendo uma analogia com a figura de mérito para os efeitos Kerr longitudinal e polar (Fe), nós propusemos uma figura de mérito para o efeito Kerr transversal (FJ. Mostramos que sua dependência do ângulo de incidência é semelhante à da variação relativa de refletividade e, comparando medidas da figura de mérito do efeito Kerr longitudinal com a figura de mérito para o efeito transversal, comprovamos que a grandeza proposta é um bom parâmetro para medida de qualidade magnetoóptica de materiais. Observamos os efeitos do sperimagnetismo de ligas com anisotropia local fraca (Gd-Co) e forte (Ho-Co), através do comportamento térmico dos ciclos de histerese magnética e magnetoóptica. Dentre os fenômenos observados estão os efeitos da compensação, o crescimento hiperbólico do campo coercivo e os efeitos da reorientação de spin. Para a liga de Gd20C080a, transição observada foi uma inversão de spin, cujo o campo magnético aplicado, no qual ocorre a transição, cresce exponencialmente com o aumento da temperatura da amostra. / We have observed the spectral behavior of the transverse magnetooptical Kerr effect (TMOKE) in thin films of rare earth - cobalt amorphous alloys for the visible and the near-ultraviolet ranges of spectrurn (wavelength fiom 325 nm up to 670 nm). The relative change of reflectivity has shown a maximum at the blue wavelength. We have concluded that this magneto-optical signal is proportional to the cobalt magnetization and the proportionality constant depends on the alloy composition and on the wavelength. Besides developing an apparatus and a new phase modulation technique for the TMOKE, we have compared it to the more usual amplitude modulation TMOKE technique. This apparatus operates using either a He-Cd laser ( = 325 nm and 442 nm) for a red diode laser ( = 670nm). We have proposed the figure of merit for the transverse Kerr effect (F,) by analogy with the figure of merit for the longitudinal and polar Kerr effect (Fe). We have measured F, as a function of the angle of incidence and we have shown that F, has the same behavior of the magneto-optical signal. A comparison between F, and Fe has shown that F, is as good parameter as well as Fe for the characterization of the materials magneto-optical quality. We have studied the sperimagnetism of thin films of amorphous alloys with weak (Gd-Co) and strong (Ho-Co) random local anisotropy by the thermal behavior of the magnetic and magneto-optical hysteresis loops. The phenomena of compensation, coercivity and spin-reorientation phase transitions were observed. The comparison between magnetic and magneto-optical hysteresis loops for Gd20C~8h0as shown that the transition occurs from a colinear phase to an opposite collinear phase. In this case, the transition magnetic field grows exponentially when the temperature increases.