Desenvolvimento das técnicas experimentais de medição da fotocondutividade, de espectroscopia de deflexão fototérmica (PDS) e de caracterização de células solares para o estudo de filmes finos semicondutores em aplicações fotovoltaicas

Dissertação de mestrado em Física de Materiais Avançados (ramo de conhecimento em Materiais Funcionais para Nano e Microtecnologia)Neste trabalho foram desenvolvidas várias técnicas de caracterização de filmes finos fotossensíveis e de células solares: fotocondutividade e espectroscopia de deflexão fototérmicos (PDS) em filmes finos, medição de curvas I(V) e VIM (variable ilumination method-medição de curvas I(V) de células solares com diferentes intensidades de iluminação). Estas técnicas permitem em conjunto estudar o mecanismo de transporte de carga sob iluminação nos filmes finos semicondutores, estabelecer a correlação com a estrutura electrónica que o determina e avaliar o desempenho de dispositivos incorporando esses filmes. O trabalho desenvolvido envolveu a criação de software de controlo para realizar as experiências (exceptuando a técnica PDS) e a montagem experimental dos componentes. Para além do desenvolvimento das técnicas foram também caracterizadas células solares e filmes finos semicondutores utilizando as técnicas experimentais desenvolvidas para exemplificar o funcionamento das montagens experimentais.In this work several characterization techniques have been developed in order to study thin photosensitive films and solar cells: photoconductivity and PDS (photothermal deflection spectroscopy) for thin films, and measurement of I(V) curves and VIM (variable intensity method) for solar cells. Together, these techniques allow the study of the mechanisms of charge transport under illumination in thin film semiconductors, to establish the correlation between the transport mechanism and the electronic structure and to evaluate the performance of solar cells incorporating these layers. This work consisted in the development of the software used to perform the measurements by controlling the equipments and to assemble the components that are part of the experimental setup. In order to demonstrate the techniques some semiconductor thin films and some solar cells were studied

Desenvolvimento de sensor óptico de baixo custo para o monitoramento do pH baseado em filmes finos de polianilina.

bitstream/CNPDIA-2010/12692/1/CiT50-2009.pd

Magnetismo em duas dimensões do modelo de Heisenberg anisotropico

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciencias Fisicas e MatematicasNeste trabalho determinamos a dependência da magnetização em função da temperatura para modelo de Heisenberg anisotrópico em duas dimensões, através do formalismo das funções de Green. Comparamos nossos resultados com os obtidos através de grupo de renormalização no espaço real e com resultados experimentais realizados em filmes finos. Também, neste trabalho, aplicamos o grupo de renormalização de campo médio para obter o diagrama de fases de um antiferromagneto diluído em um campo uniforme. Nossos resultados sugerem a presença de pontos tricríticos neste sistema

Revestimentos multicamada PVD com comportamento electrocrómico

Dissertação de mestrado.A disponibilidade limitada dos combustíveis fósseis e nucleares e seus impactos ambientais, torna o uso de fontes de energia renováveis um facto de extrema importância na actualidade mundial. A aplicação de revestimentos em “janelas inteligentes” permite aumentar a eficiência energética e o conforto de uma habitação. Os filmes finos electrocrómicos apresentam elevado interesse devido às suas potenciais aplicações em aparelhos ópticos. Como electrocromismo entende-se a alteração reversível na transmissão e/ou reflexão da luz, causada por a aplicação de uma voltagem externa. O óxido de tungsténio é um dos mais estudados materiais electrocrómicos, podendo ser depositado por pulverização reactiva com magnetrão. Dependendo das condições de deposição e das técnicas de deposição os filmes finos podem apresentar diferenças estruturais, ópticas e eléctricas. O objectivo principal deste trabalho consiste na obtenção e optimização de revestimentos W, WO3 e ITO por pulverização catódica. Uma das principais vantagens desta técnica PVD reside no facto de ser um processo atomístico em vácuo, o que permite a deposição de filmes densos (ou porosos) com níveis controlados de defeitos. Os revestimentos de W depositados a baixa pressão de deposição apresentam valores de reflexão e de condutividade eléctrica elevados, ß-W é a fase cristalográfica presente e as tensões mecânicas são de compressão. Para pressões intermédias (2Pa) as propriedades eléctricas e ópticas degradam-se, as tensões mecânicas são de tensão, existindo uma mistura de fases cristalográfica (W e ß-W). A deposição a pressões elevadas leva à degradação acentuada das propriedades ópticas e eléctricas e os revestimentos tornam-se amorfos. Os resultados experimentais dos filmes finos de óxido de tungsténio permitem concluir que as propriedades dos revestimentos são dependentes da presença de uma fase deficiente em oxigénio (W20O58). É possível obter valores de transmissão superiores a 80% para concentrações de gás reactivo superiores a 30%. A deposição de filmes finos de WO3 em substratos de ITO/vidro permitiu a utilização de polarização. O bombardeamento do revestimento em crescimento com electrões levou a um aumento da cristalinidade, enquanto que a utilização de iões para assistir a deposição levou à amorfização. Os testes electrocrómicos permitiram observar o efeito de coloração consequente da inserção de iões de H+ na camada de óxido de tungsténio. A transmissão diminuiu aproximadamente 90% após a intercalação dos referidos iões. Os conjuntos vidro/ITO/WO3 depositados com polarização apresentam o melhor valor para a eficiência de coloração. Este resultado pode ser relacionado com o estado amorfo e maior densidade do filme fino de óxido de tungsténio. O melhor compromisso entre as propriedades ópticas e eléctricas (Figura de Mérito igual a 12,1) dos filmes finos de ITO foi obtido para o revestimento depositado com polarização negativa (-60V), à pressão de 0.06Pa, com a tensão de deposição de 430V, para o tempo de deposição de 5 minutos. No entanto, apenas foram alcançados valores de transmissão superiores a 80% para tempos de deposição inferiores a 2 minutos.The fossil and nuclear energy environmental impact and limited resources, in today’s would, made the use of alternative energy sources a fact of the most importance. The simple fact of coatings deposition in “smart windows” opens the possibility to increase energetic efficiency and comfort in a house. The importance of electrochromic thin films is due to its applications on optics devices. The electrochromic effect can be defined as a light transmission or reflection reversible modification in the result of a voltage application. Tungsten oxide is a very well study electrochromic material, and it can be deposited by magnetron sputtering. Structural, optical and electrical properties of coatings can be modulated as a consequence of deposition conditions, and techniques. The deposition and optimization of W, WO3 and ITO coatings is the main objective of this work. Vacuum atomistic deposition of PVD thin films gives the possibility to obtain dense (or porous) coatings, with a defects level control. Low pressure tungsten coatings deposited show high reflection and electrical conductivity values, ß-W crystallographic phase, and compressed stress. At medial deposition pressure (2Pa) the optical and electrical properties degraded, the mechanical stress is tensile, and the crystallography shows a mixture of W and ß-W phases. The accentuated degradation of optical and electrical properties, and the obtained of amorphous coatings, is a consequence of high pressure deposition conditions. Experimental results of tungsten oxide thin films give the possibility to conclude that coatings properties are dependent of a deficient oxygen phase (W20O58). It is possible to obtain transmission levels higher than 80%, for reactive gas concentration bigger than 30%. The deposition of tungsten oxide coatings on ITO/glass substrates gives the possibility to apply a bias polarization. The electrons bombardment of the growing thin film increase the crystalline phases. In the other hand, the ions bombardment takes us to the coating amorphous phases. Electrochromic tests give the possibility to observe the coloration effect of H+ ions insertion on the tungsten oxide layer. The ions intercalation reduces the transmission to 90% of the normal state. The bias polarization of the tungsten oxide layer, during sputtering deposition, result in the best color efficiency of the glass/ITOWO3 multilayer structure. The best commitment between optical and electrical properties of ITO coating was obtained for deposition with negative polarization (-60V), at a 0,06Pa pressure, 430 deposition voltage, and 5 minutes deposition time. However, transmission values higher than 80% just can be obtained for deposition time inferior to 2 minutes.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)

Ultrathin cellulose ester films: preparation, characterization and protein immobilization

In this study cellulose acetate butyrate (CAB) and carboxymehtylcellulose acetate butyrate (CMCAB) films adsorbed onto silicon wafers were characterized by means of ellipsometry, atomic force microscopy (AFM), sum frequency generation spectroscopy (SFG) and contact angle measurements. The adsorption behavior of lysozyme (LIS) or bovine serum albumin (BSA) onto CAB and CMCAB films was investigated. The amounts of adsorbed LIS or BSA onto CMCAB films were more pronounced than those onto CAB films due to the presence of carboxymethyl group in the CMCAB structure. Besides, the adsorption of BSA molecules on CMCAB films was more favored than that of LIS molecules. Antimicrobial effect of LIS bound to CAB or CMCAB layers was evaluated using Micrococcus luteus as substrate.FAPESPCNPqCoordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nivel Superior (CAPES

Ressonância ferromagnética de filmes finos de ferrite de zinco

Mestrado em Engenharia FísicaEste projeto teve como objetivo o estudo de filmes finos de ZnFe2O4 (ZFO) crescidos por deposição por laser pulsado (PLD). As ferrites são muito sensíveis às condições de crescimento, e, por isso, é que apresentam uma variedade de propriedades em função do modo como são crescidas (microestrutura). Filmes finos de ferrites têm motivado vários estudos teóricos e experimentais devido a novas propriedades elétricas, óticas e magnéticas, bem como a aplicações destes materiais à microeletrónica, magneto-ótica e spintrónica. As amostras foram crescidas por (PLD) sob específicas condições (pressão parcial de oxigénio, aquecimento, temperatura dos substratos), em substratos de r-safira, de SrTiO3 (001),e de SrRuO3/SrTiO3(001). Medidas de ressonância ferromagnética (FMR) foram usadas para o estudo do comportamento magnético de várias séries de filmes finos de ZFO com diferentes orientações das amostras relativamente ao campo magnético externo. Dados da magnetização estática num SQUID, dados de difração de raios-X (DRX) e de energia de dispersão de raios-x (EDX) obtidos nas mesmas amostras foram analisadas em conjunto com os espectros de FMR com o intuito de atingir uma interpretação de confiança. As medidas de FMR foram realizadas no intervalo de temperaturas entre 5 K e 420K a uma frequência de aproximadamente 9.4 GHz (banda X de micro-ondas) em campos magnéticos até aos 1.5T, num espectrómetro ESP 300E da Bruker equipado com crióstatos de fluxo de azoto e hélio. Os espectros foram obtidos para rotações do campo magnético aplicado dentro do plano e fora do plano dos filmes. A análise das dependências angulares dos espectros de FMR foi efetuada no âmbito do formalismo de Smith-Beljers. Praticamente todos os filmes exibiram a razão quase estequiométrica Zn/Fe e a presença de ordem magnética, mesmo que a fase de ferrite de zinco com a estrutura de espinela não foi detetada nas amostras crescidas a temperaturas de substrato inferiores a Tsub = 1000K. Também foi constatado que a qualidade cristalina depende fortemente da pressão parcial de oxigénio durante a deposição dos filmes. Filmes de ZnxFe3−xO4 monofásicas e com textura pronunciada foram obtidos em substratos de SrTiO3 para PO2 = 210–3 mbar e Tsub = 1000 K. Medições de FMR revelaram a existência, nestes filmes, de anisotropia cúbica. Os valores de magnetização efetiva e parâmetro de anisotropia cúbica (4πMeff ≈ 3.0kOe e K1c = –1.5104 erg/cm3) foram obtidos através de uma análise detalhada dos espectros de FMR. Mesmo que nenhuma estrutura cristalina pudesse ser atribuída aos filmes crescidos a Tsub < 1000 K, ondas de spin bem resolvidas foram detetadas num destes a temperaturas criogénicas. O respetivo parâmetro de rigidez (~810–8 erg/cm) é cinco vezes menor do que o valor previamente relatado na literatura para filmes de ZFO. A largura de linha é em todos os casos bastante grande, indicando heterogeneidades internas. Na maioria das amostras, ressonâncias adicionais foram observadas que podem resultar de: modos superficiais, ondas de spin e ou da presença de fases magnéticas diferentes.The object of this study have been ZnFe2O4 (ZFO) thin films grown by pulsed laser deposition (PLD). The ferrites are extremely sensible to the growth conditions, so that they represent a variety of properties as a function of the growth conditions (microstructure). Ferrite thin films have motivated a lot of theoretical and experimental studies owing to novel electric, optical and magnetic properties and possible applications in microelectronics, magnetooptics and spintronics. The samples were grown by pulsed laser deposition (PLD) under specific conditions (partial oxygen pressure, heating) on r-sapphire and (001) SrTiO3 substrates, with and without SrRuO3 buffer layers. For the study of the magnetic behavior of various series of ZFO thin films, ferromagnetic resonance (FMR) measurements as a function of the temperature and sample orientation with respect to the external magnetic field have been performed. Static magnetization data measured in a SQUID magnetometer, energy-dispersive X-ray spectrometry results and x-ray diffraction (XRD) curves obtained on the same samples have been analyzed together with the FMR spectra in order to obtain the most full and reliable interpretation of the results. FMR spectra were measured in the X-band (f ≈ 9.4 GHz) at temperatures from 5 to 420K on a Bruker ESP 300E EPR spectrometer equipped with a helium and a nitrogen continuous flow cryostats. Azimuthal (in-plane) and polar (out-of-plane) angular dependences of the FMR spectra for sample rotation in external magnetic field up to 1.5 T have been measured. The analysis of the angular dependences of the spectra have been performed in the framework of the Smith-Beljers formalism. A zinc ferrite spinel phase has been found only in the samples grown at Tsub = 1000K. Nevertheless, almost all samples exhibited a stoichiometric Zn/Fe ratio and magnetic (non-paramagnetic) ordering, even when the spinel phase was absent in film. The quality of the zinc ferrite films was found to be strongly dependent on the oxygen partial pressure during the deposition. Increasing of the oxygen pressure during the deposition efficiently removes second phases like iron and zinc oxides from the film. Monophase, highly textured zinc ferrite films have been grown on (001) SrTiO3 substrates at PO2 = 210–3 mbar and Tsub = 1000 K. FMR conducted on these films has revealed a fourfold cubic magnetic anisotropy with 4πMeff ≈ 3.0 kOe e K1c = –1.5104 erg/cm3. Though no crystalline structure could be found in the samples grown at Tsub < 1000 K, well-resolved spin wave spectra have been detected in one of them at cryogenic temperatures. The respective stiffness parameter (~810–8 erg/cm) is at least five times smaller than the value reported formerly in zinc-ferrite films. The FMR line width is in all cases pretty large, indicating internal heterogeneities in the films. In most of the samples, additional resonances were detected, possibly due to surface modes, spin waves and the presence of different magnetic phases

Transição martensítica em filmes finos de Ni2+x+yMn1-xGa1-y

Mestrado em Engenharia FísicaEste trabalho teve dois objetivos fundamentais comuns e complementares. Desenvolvimento de uma rotina em Labview para automatização de um sistema de medidas de propriedades de transporte em função da temperaturas e/ou do campo magnético. A segunda parte do trabalho consistiu no estudo de filmes finos de Ni2MnGa com especial relevância dada à transformação martensítica. As amostras foram depositadas através da deposição em simultânea de ligas 5050 e de 5050usando RF-sputtering em substratos monocristalinos de MgO (100), Si (100) e STO (100). As amostras foram caracterizadas do ponto de vista estrutural usando difração de raio-x, SEM e EDS. A caracterização magnética foi feita através do SQUID e VSM. A caracterização elétrica foi feita usando o método das quatro pontas. As curvas R-T (resistência em função da temperatura) mostraram uma histerese térmica inicial anormal e alterações que sugerem uma dependência, para além da estrutural, de efeitos temporais. As medidas R-T com a aplicação de um campo magnético externo mostraram um deslocamento esperado da transição estrutural. A comparação qualitativa das medidas de magnetização com as previsões teóricas é satisfatória. Observa-se, no entanto, um offset que é explicado pelo carácter quase amorfo dos filmes em estudo, da composição e da temperatura.This study has two common core objectives. The first consists in developing a Labview routine to automate a system of transport properties measurement as a function of temperature and magnetic field. The second part of this work consisted in the study of Ni2MnGa thin films, with special focus on the martensitic transformation. The samples were prepared by simultaneous deposition of and target alloys by RFsputtering on single crystal substrates of MgO (100) , Si (100) and STO (100). X-ray diffraction, SEM and EDS were the tecnhiques used for structural characterization. Magnetic characterization was assessed using SQUID and VSM. The electrical characterization was done using the four point method. The R-T curves (resistance versus temperature) showed an abnormal initial thermal hysteresis and changes that suggest a dependency on, addition to structural, temporal effects. The R-T measurements, under an external applied magnetic field showed an expected structural temperature transition displacement. A qualitative comparison of the magnetization with the theoretical predictions is satisfactory. However, an offset is observed witch is explained by the almost amorphous nature of the films being studied, the composition, and temperature

Estudo da dinâmica da magnetização em filmes finos de dissulfeto de tungstênio

Dissertação apresentada à Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Física Aplicada, área de concentração em Física da Matéria Condensada, para a obtenção do título de Mestre. Orientador: Prof. Dr. Rafael Otoniel Ribeiro Rodrigues da Cunha e Co-Orientador Prof. Dr. Yunier Garcia BasabeNeste trabalho investiga-se as propriedades de conversão de corrente de spin em corrente de carga do semicondutor WS2. Filmes finos bidimensionais compostos por bicamadas de Pd(10 nm) / NiFe(10 nm) e tricamadas de WS2 / Pd(10 nm) / NiFe(10 nm) foram investigados por meio do efeito Hall de spin inverso (ISHE) usando efeito de bombeamento de spin (spin pumping) (SPE) e efeito Seebeck de spin (SSE), nos quais uma corrente de spin gerada na camada ferromagnética é injetada na(s) camada(s) adjacente(s). O filme de WS2 foi crescido pela técnica de spin coating, enquanto que as camadas de Pd e NiFe foram fabricadas por magnetron sputtering. Caracterizações estruturais foram realizadas pelas técnicas de espectroscopia Raman, difração de raios-X para amostras na forma de pó (PXRD) e difração de raios-X em baixo ângulo (LIXRD). Medindo a corrente ISHE de cada amostra e fazendo um comparativo, consegue-se obter um parâmetro-chave para a spintrônica: o ângulo Hall de spin () para a tricamada WS2/Pd/NiFe, com o valor de = 0,015. Com esta investigação, mostra-se que o filme de WS2 tem contribuição significativa para corrente de spin, demonstrando ser um material promissor para aplicação em spintrônica de semicondutores.In this work we investigate the spin current to charge current conversion properties of the semiconductor WS 2 . Two-dimensional thin films composed of bilayer Pd (10nm) / NiFe (10nm) and trilayer of WS 2 / Pd (10nm) / NiFe (10nm) were investigated by means of the inverse spin Hall effect (ISHE) using spin pumping effect (SPE) and spin Seebeck effect (SSE) experiments in which a spin current generated in the ferromagnetic layer is injected into the adjacent layer. The WS 2 film was grown by the spin coating technique, while the Pd and NiFe layers were grown by magnetron sputtering. Structural characterizations have been done by Raman spectroscopy, X-ray powder diffraction (PXRD) and low-angle X-ray diffusion (LIXRD). By measuring the ISHE current of each sample and making a comparative, we were able to obtain a key spintronic parameter: the spin Hall angle θ SH for a WS 2 /Pd/NiFe, with the value of θ SH = 0,015. With this research, we show that the WS 2 film has a significant contribution to the spin current, proving to be a promising material for the spintronic application of semiconductors.Programa de Demanda Social da Universidade Federal da Integração Latino-Americana (DS-UNILA