Superfícies oticamente seletivas

O objetivo desse estudo é de desenvolver e caracterizar materiais destinados a melhorar o desempenho de painéis solares térmicos. Estão considerados óxidos transparentes - condutores como o SnO2:F que apresenta uma excelente transmissão no visível e reflete no infravermelho a partir de 2 mm, e também óxidos absorvedores no visível como o CuO ou CuS. Os métodos de fabricação são a pirólise de spray (em colaboração com a UFPR) e o método sol-gel.

 

Materiais fotovoltaicos

O objetivo desse estudo é de desenvolver e caracterizar materiais semicondutores em filmes finos para realizar células fotovoltaicas de baixo custo. Os materiais estudados são basicamente o CdTe e o CuInSe2. O método de fabricação visado é a eletrodeposição. A caracterização é feita através dos vários métodos disponíveis nos Institutos de Física e de Química: espectroscopia UV, visível e infravermelha, medidas elétricas, efeito Hall, difração de raios X, fluorescência X, XPS, etc.

 

Medida de intensidade solar

O objetivo desse estudo é de caracterizar a radiação solar disponível no solo. Para isso foi desenvolvido um radiômetro tipo black&White dando uma medida integrada sobre o espectro solar inteiro. Outros detectores são também utilizados como células fotovoltaicas de silício cuja resposta é mais adequada para os sistemas fotovoltaicos, ou como sensores UV de TiO2 para medir a intensidade no ultravioleta. Enfim, um espectro-radiômetro e um radiômetro multi-espectral estão sendo desenvolvidos com o objetivo de ter acesso à composição atmosférica local.

 

Silício Poroso

A possibilidade do silício ser usado também como um diodo emissor de luz visível vem despertando o interesse, tanto do meio cientifico, quanto da industria. Isto está sendo acompanhado de uma grande expectativa na produção de dispositivos com características ópticas e eletrônicas, com enorme impacto na atual tecnologia de circuito integrado (chips). O silício poroso apresenta uma superfície rugosa com regiões intercaladas de espaços vazios e conglomerados de silício o que tem levado os cientistas a uma grande celeuma em torno da compreensão do porque da emissão de luz visível, por este semicondutor usualmente emissor de infravermelho. Recentemente, foi desenvolvido um modelo de estruturas de faixas de energia a partir de medidas ópticas, modelo este que tenta explicar as várias transições ópticas que aparecem neste material. Estas investigações continuam em andamento em nosso grupo de pesquisa com uma profícua colaboração envolvendo o Niels Bohr Institute, INPE/LAS, INPE/LAP e INPE/LAC, Universidade Técnica da Dinamarca, Universidade de Linköping, Universidade de Uppsala e Georgia Institute of Technology (USA). É importante salientar que o silício poroso está sendo investigado também em aplicações em tecnologia médica. Pesquisadores da Universidade de Lund, Suécia, MIT - Estados Unidos e Universidade de Leicester (Inglaterra) têm investigado a implantações desde material no corpo humano. A sua rugosidade, além da sua composição química, tem uma melhor aceitação pelo organismo, o que facilita a transmissão de estímulos elétricos. O silício cristalino (Si-C) tem sido o principal material semicondutor por mais de 50 anos e certamente continuará, por um longo tempo, a ser o material dominante na indústria de dispositivos microeletrônicos. O mercado de chips de semicondutores movimenta atualmente cerca de 130 bilhões de dólares, sendo que o silício entra em mais de 90% dos chips produzidos. O Si-c é fundamental na produção de componentes eletrônicos, o mesmo não podemos dizer na sua utilidade como dispositivo emissor de luz, isto em decorrência da sua baixa eficiência, já que seu gap fundamental de energia é indireto. O silício poroso (SiPO) surgiu então como um novo material com grande potencial opto-eletrônico e por isso o interesse da investigação de dispositivos produzidos a partir deste semicondutor. Observou-se em 1990 que, mesmo a temperatura ambiente, o SiPO, pode produzir fotoluminescência, tanto na região visível do espectro de luz, quanto no infravermelho próximo. Estas características do SiPo contrastam com o Si-c que emite uma fotoluminescência muito fraca, mesmo a baixas temperaturas, tornando-o desinteressaste para a produção de dispositivo emissor de luz. Todavia, mesmo com todas estas investigações, o conhecimento (amplo) da estrutura eletrônica dos níveis de energia do SiPo é incompleto e muito polêmico. Esta polêmica tem levado o SiPo a ser um grande desafio, tanto do ponto de vista da pesquisa fundamental, quanto das suas aplicações tecnológicas. Em ambos os casos o conhecimento das propriedades eletrônicas e morfológicas é ainda um ponto a ser muito investigado.

 

Diamond-Like-Carbon

O Diamond-Like-Carbon é um novo material constituído a partir de silício e revestido com carbono (C) pelo método de sputtering. Este novo material está sendo investigado, já que é um composto promissor para o estudo de Tribologia ou Ciência de Fricção, alem de sua potencial utilização na área biomédica. As investigações das suas propriedades ópticas estão sendo realizadas no LAPO em cooperação com o INPE/LAS e a Universidade de Uppsala.

Efeitos de aglomerados moleculares (clusters) nas transições ópticas de materiais semicondutores

Em materiais como o GaN, estão sendo investigadas novas transições intra e extra banda. Estas transições, observadas em experimentos realizados no Naval Laboratory - Washington (USA), foram durante um certo tempo consideradas como ruídos experimentais. Recentemente, tais estruturas foram identificadas como transições ópticas de clusters moleculares por nosso grupo.

 

Efeitos do Campo Elétrico em Estruturas MOSFET

Os efeitos de campo elétrico e transição metal isolante em estruturas de baixa dimensionalidade, as chamadas heteroestruturas MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transition), voltaram a ter um grande destaque no cenário da pesquisa internacional. Recentemente foi descoberta a existência de transição metal isolante em heteroestruturas bidimensionais, neste mesmo dispositivo. Tais resultados estão em total discordância com os dados e resultados obtidos, ate então, pelas pesquisas correntes. Nas nossas investigações consideramos vários efeitos possíveis como: desordem, blindagem, variação da energia de ligação, campo elétrico, correlação, íon localizado próximo e na interface do MOSFET, concentração de íons. Usamos um modelo de Mott-Hubbard para explicar o aparecimento destas transições em sistemas bi-dimensionais, buscando um acordo com os trabalhos experimentais.

 

Iodeto de chumbo (PbI2), Bismuto (BiI3), Antimônio (SbI3) e ligas (SbBiI3)

Estes materiais vêm despertando a atenção da comunidade cientifica graças às suas possíveis aplicações tecnológicas à temperatura ambiente. Destacamos sua utilização como fotocélula e detetor de raios-X e gama. Este material tem sido produzido no Laboratório Associado de Sensores e Materiais (LAS) do Instituto Nacional de Pesquisas (INPE). As investigações ópticas, de fotocondutividade e térmicas são feitas no IF-UFBa e em colaboração com a Universidade de Uppsala e Universidade de Linköping (Suécia) e a Universidade Técnica da Dinamarca (Dinamarca).

 

Ligas de Arseneto de Gálio e Alumínio (AlGaAs)

As propriedades ópticas e eletrônicas desta liga semicondutora têm sido investigadas nos últimos anos pela sua importância tecnológica na fabricação de dispositivos óptico-eletrônicos. A eficiência do dispositivo final, já em estagio de fabricação em larga escala, é drasticamente afetada pela incorporação de impurezas de silício e da variação da quantidade de alumínio na composição da liga. A partir de amostras produzidas no Departamento de Física da Universidade Federal de Minas Gerais, investigamos as propriedades ópticas e eletrônicas desta liga, em estreita colaboração com a própria UFMG e a Universidade de Linköping.

 

Ligas de Silício-Germânio (Si1-xGex)

As ligas semicondutoras de (Si1-xGex) tem recebido atualmente muita atenção em função de sua aplicação na produção de dispositivos óptico-eletrônicos. O processo de fabricação é feito no INPE/LAS e Universidade de Göteborg (Suécia) e sua caracterização é atualmente feita por espectroscopia fotoacústica. A transição metal-isolante também é estudada, assim como as suas propriedades eletrônicas e ópticas.

 

Propriedades Ópticas e de Transporte de Si:Bi e Si:P,Bi

A incorporação de duas impurezas (por implantação iônica) provoca uma perturbação nas propriedades ópticas, na condutividade, nas medidas Hall bem como na transição metal-isolante devido às diferentes energias. O bismuto, por ser um dopante com energia de ionização bem superior (70 meV) aos demais elementos da mesma coluna da tabela periódica e pela suspeita da impossibilidade da aplicação do teorema da massa efetiva a esta substancia, estava sem ser pesquisado até o momento. Nossos trabalhos sobre sistema dopados com este elemento estão sendo muito esclarecedores. As amostras são obtidas através da implantação de Bi em estruturas do tipo Van der Pauw em pastilhas (chips) de Si. Novos modelos teóricos empregando diferentes métodos para a determinação da transição, assim como trabalhos experimentais vêm sendo desenvolvidos por diferentes autores. As propriedades descritas anteriormente estão sendo investigadas em função da concentração de dopantes e da temperatura usando a técnica de fotocondutividade. Para este estudo cooperações foram estabelecidas com a participação da Universidade de New York, UFMG e Universidade de Linköping.

 

Arseneto de Gálio

Estamos desenvolvendo pesquisas neste material fazendo implantação iônica de carbono, que se comporta como impureza aceitadora. Pesquisamos as propriedades ópticas e de condução usando técnicas de fotoluminescência, transmissão, absorção, condutividade, onde o suporte teórico e de modelamento são desenvolvidos pelo nosso grupo. A implantação iônicas é feita na UFRGS. A colaboração conta com grupos da UFGRS, da Universidade de Linköping, da Universidade de Uppsala e da Universidade de Nova York, alem do LAPO - IF/UFBA.

 

Nitretos

Os nitretos são semicondutores do tipo III com energia de gap elevada, em torno de 3 eV. Compostos tais como GaN, AlN, InN e suas ligas, têm suscitado um grande interesse, já que podem ser aplicados na tecnologia de dispositivos óptico-eletrônicos, alem de serem materiais que suportam altas temperaturas e podem usados em alta frequência. Estes novos matérias podem produzir diodos emissores de luz (LEDS) verde-azul, azul-violeta, detectores de UV e dispositivos eletrônicos para alta freqüência. Estamos investigando diferentes as fases do processo de engenharia deste novos materiais: o crescimento das amostras, o caracterização pelas técnicas de condutividade, Hall, PL e PLE, absorção de luz, fotocondutividade, elipsometria, Raman. No que tange a teoria, estamos fazendo o modelamento teórico empregando os métodos de Random Phase Approximation (RPA), modelo generalizado de Drude, buscando determinar as diferentes funções dielétricas, massas efetivas e estrutura de bandas de energia.

 

Propriedades Eletrônicas, Ópticas e Térmicas dos Semicondutores de SiC (Carbetos)

Estamos investigando as propriedades eletrônicas e a transição metal-isolante, com ênfase nos efeitos de correlação, espalhamento, interação elétron-íon, exchange, entre outros, na variação da energia de gap de semicondutores complexos como: 3C-SiC e nH-SiC (n=2, 4 e 6). Estes semicondutores, de alta resistividade, podem ser operados em altas temperaturas, e têm atraído o interesse da industria graças ao seu uso em dispositivo eletrônico com grande potencial de impacto tecnológico. Estamos usando os modelos de: Local Density Aproximation, Thomas-Fermi com RPA dielectric screening, Hubbard-Mott e método de Gutzwiller. Também estamos investigando as propriedades óticas e térmicas dos compostos de SiC, com e sem dopagem, em forma granular. As propriedades térmicas como difusividade e condutividade térmica, características importantes para a construção de dispositivos, são feitas com a técnica de espectroscopia fotoacústica.

Polarização de spin (spintrônica)

As propriedades de equilíbrio dos dispositivos reais baseados em pontos quânticos, contendo muitos elétrons, serão estudados inicialmente fazendo uso do modelo bidimensional de Thomas-Fermi. Serão levadas em conta as várias contribuições, tais como: geometria da entrada de corrente (parâmetro relevante no processo de fabricação do dispositivo), dopagem, estados de superfície, cargas imagens etc. Interações entre elétrons e exchange serão também considerados. Os efeitos da dependência de spin serão tratados pelo formalismo de densidade local de spin de Kohn-Sham (numa etapa posterior do trabalho que já vem sendo desenvolvendo em polarização de spin em super-redes não magnéticas). A magnetização ou polarização de spin será investigada pelo acoplamento dos pontos quânticos e a quebra de simetria devido a geometria de entrada de corrente. Esta investigação será feita na área de contato entre os pontos quânticos relacionando este fenômeno com a condutância anômala, observada na área livre de contato entre eles. Os resultados desta pesquisa serão os novos dispositivos tais como: transistores de spin, memórias magnéticas de acesso aleatório, decifradores e codificadores de códigos ópticos, assim como, o uso de estados coerentes de spins em processadores quânticos de informação.

Cooperações: INPE/LAS e Universidade de Linköping.