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Tese no âmbito do Doutoramento em Engenharia Física, ramo de Instrumentação, orientada pelo Professor Doutor Francisco José de Almeida Cardoso e pelo Professor Doutor Jorge Afonso Cardoso Landeck e apresentada ao Departamento de Física da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. A gestão dos ativos da rede elétrica de distribuição em baixa tensão, com recurso a modelos e a tecnologias no âmbito da Internet of Things, possibilita a avaliação do estado técnico de funcionamento e o diagnóstico dos ativos de forma autónoma e centralizada, através de sensores sem fios, sendo particularmente vantajosa, neste caso de aplicação, dada a dispersão geográfica das infraestruturas. Na rede de baixa tensão destacam-se os órgãos constitutivos de um Posto de Transformação: o transformador de distribuição, o quadro geral de baixa tensão e a cela de proteção e seccionamento no circuito de entrada em média tensão. Neste trabalho é apresentado um sistema de gestão de ativos assente em soluções de instrumentação para a supervisão dos ativos mencionados, de acordo com um conjunto de critérios fundamentais para o desenvolvimento de projeto, com vista à sua viabilidade económica e prática: dispositivos não intrusivos aos equipamentos sob supervisão, autonomia energética, comunicação sem fios, processamento local, modularidade e interoperabilidade, flexibilidade incremental e interface humana de fácil compreensão. Assim, foram concebidos e desenvolvidos sensores inteligentes, autónomos e independentes para a monitorização de cada ativo, sendo os dados recolhidos e integrados numa unidade concentradora, em cada posto de transformação, para processamento e análise local dos dados respetivos. A avaliação do desempenho do transformador de distribuição envolve a deteção de descargas parciais no seu interior, a medida da temperatura na tampa da carcaça, a deteção de descargas parciais nas travessias e a medição do nível de ruído de zumbido. As condições ambientais internas e externas do posto de transformação são analisadas através da medição de temperatura e humidade do ar. A cela de proteção de média tensão é avaliada pela deteção de descargas parciais no compartimento do disjuntor e pela monitorização da temperatura do barramento principal. No quadro geral de baixa tensão são medidas as tensões e correntes de cada circuito de saída. Em cada posto de transformação, a unidade concentradora é responsável pela análise dos eventos e variáveis comportamentais, e pela fusão dos dados provenientes das unidades de monitorização instaladas. Enquanto fatores críticos, foram validados: (i) a deteção de descargas parciais no interior do transformador de distribuição, por emissão acústica, utilizando um sensor ultrassónico acoplado na tampa do tanque do transformador, (ii) a deteção de descargas parciais no ar por captação de radiofrequência na banda dos 433 MHz, (iii) a monitorização de temperatura, por contacto, no tanque do Transformador de Distribuição e, sem contacto, na Cela de Média Tensão, com recurso a redundância modular tripla para auto-diagnóstico e confiança acrescida. A alimentação em potência de dispositivos de monitorização é, em grande parte, realizada através de captação de energia do meio envolvente que, nestas infraestruturas, pode ter a forma de energia térmica, solar ou eletromagnética, consoante as especificidades dos locais de instalação. São apresentados dois modelos de dimensionamento de sistemas de alimentação baseados em captação de energia do meio envolvente, especificamente solar e eletromagnética, e apresentados resultados de testes envolvendo múltiplos fatores construtivos para a otimização de um sistema de alimentação baseado na captação de energia térmica. By resorting to models and technologies within the scope of the Internet of Things in order to carry out asset management activities in Low-Voltage electricity grids, both condition monitoring and diagnosis of the relevant assets are feasible, despite the geographic dispersion of the infrastructures, in an autonomous and centralized way, using wireless sensor networks. A comprehensive management system of Secondary Distribution Substations is presented, thus addressing the condition monitoring and diagnosis of its critical parts. The fundamental criteria underlying the design and development of the system as a whole and of each and every integrating modular part, namely the different smart sensors there involved are articulated so as to obtain a cost effective and practical solution, such as: devices must not be intrusive, and no cabling may be used to support both communication and power supply. Hence, modules are nodes of a wireless network, and, in most cases, resort to energy harvesting technologies, in order to attain a final solution which provides scalability, modularity and interoperability. Thus, an innovative fully modular platform comprising a number of different and self-contained smart devices, which act as a single system, is presented. These devices transmit relevant information to a central unit which is responsible for the cross-correlation amongst different variables and parameters. The assessment of distribution transformers is carried out through an innovative, autonomous, and multi-sensing unit, which encompasses a number of different sensors in order to monitor several critical variables that describe its operational performance, namely: oil/tank temperature, internal partial discharges, partial discharges in bushings, and humming noise. The medium voltage switchgear condition is assessed through the temperature monitoring of the main busbar, and the detection of partial discharges in the switch compartment. Voltage and currents in all feeders leaving the low voltage switchboard are continuously measured. In each Secondary Distribution Substation, a central unit is responsible for analysing events and analogue variables from each smart sensor, and, especially, for the cross-correlation of data generated at different locations within the substations. The use of primary batteries for the power supply of self-contained devices isn’t practical, in some applications, given its limited capacity and the resources it would entail to replace them periodically. Thus, the power supply of most monitoring devices is attained through energy harvesting technologies, namely from thermal, solar and electromagnetic energy sources, depending on the location of devices. Two design models for both solar and electromagnetic energy harvesting power supply systems are presented, and in regard to thermal energy harvesting, multiple constructive elements are tested in order to optimize it.

This work focuses on the modification of magnetic anisotropy of ferromagnetic multilayers towards the goal of obtaining the easy-cone magnetic state. Two types of magnetic multilayer systems are explored: NdCo5/Fe bilayer and magnetic tunnel junctions (MTJ) in half-stack (FeCoB free layer grown on MgO) and full-stack configuration. The effects of interlayer coupling, layer thickness, interfaces, spacers as well as the impact of ion irradiation on the magnetic anisotropy of the multilayers were investigated primarily by ferromagnetic resonance (FMR) and complemented by X-ray diffraction, vibrating sample magnetometry and current-in-plane tunneling measurements. Macrospin models were developed on the basis of the Smit-Beljers formalism and of the linearized Landau-Lifshitz-Gilbert equation to simulate angular dependences of resonance field and linewidth as well as microwave absorption curves. The NdCo5/Fe bilayer was prepared by pulsed laser deposition and the influence of the spin reorientation transition (SRT) of NdCo5 on the bilayer’s magnetic properties was investigated. The SRT temperatures of the bilayer were determined as 255 K and 350 K and an interfacial coupling energy of 1.4 mJ · m−2 was estimated. Due to the coupling, the precession of magnetic moments of the Fe layer occurs in the effective exchange field stemming from the NdCo5. As a result of the interlayer coupling, there is a transfer of magnetic anisotropy from NdCo5 to the Fe, which allowed the SRT of NdCo5 to be seen indirectly, by tracking the temperature variation of the Fe FMR field. MgO/FeCoB(tFCB)/Ta free-layer stacks and perpendicular magnetic tunnel junction (pMTJ) pillars having identical free layers were prepared by magnetron sputtering. Tunnel magnetoresistance (TMR) measurements and FMR revealed a gradual evolution of the free-layer behavior from that of a continuous film at large tFCB towards that of an ensemble of weakly coupled grains for tFCB 1014 cm−2, where there as a strong modulation of anisotropy, caused by a strong decreasein MS, attributed to a high degree of intermixing at the FeCoB/Ta interface, accompanied, however, by a loss of coupling and of TMR, that rendered the MTJ inoperative. In brief, evidences were found for the micromagnetic origin of the easy cone anisotropy in the multilayers containing the FeCoB/MgO interface. The range of experimental conditions for setting the easy cone, namely FeCoB layer thickness and temperature, was widened for the double-MgO free layers having metallic spacers. Ion irradiation was demonstrated as a useful tool for inducing the easy cone anisotropy. The trends of the magnetic anisotropy evolution resulting from the irradiation, as well as the ion-fluence window of operation where such modulation of magnetic anisotropy can occur, while not losing the TMR or the magnetic configuration of the MTJ, were indicated. Este trabalho baseou-se na modificação da anisotropia magnética de multicamadas ferromagnéticas, tendo em vista a obtenção do estado de conefácil. Dois sistemas foram investigados: bicamadas de NdCo5/Fe e multicamadas contendo interfaces de FeCoB/MgO, abrangendo camadas magnéticas livres e junções de túnel magnéticas (MTJ) completas. Os efeitos do acoplamento magnético entre camadas, da espessura das camadas, das interfaces e dos espaçadores, assim como o impacto da irradiação iónica na anisotropia magnética das multicamadas foram investigadas maioritariamente por ressonância ferromagnética (FMR). Essa investigação foi complementada com difração de raios-X, magnetometria de amostra vibrante e medições planares da corrente de túnel. Modelos numéricos baseados na aproximação de macrospin foram desenvolvidos tendo por base o formalismo de Smit-Beljers e a equação de Landau-Lifshtiz-Gilbert linearizada. Esses modelos foram usados para simular dependências angulares de campos de ressonância e larguras de linha, assim como curvas de absorção de micro-ondas. A bicamada de NdCo5/Fe foi preparada por deposição por laser pulsado e a influência da transição de reorientação de spin (SRT) do NdCo5 nas propriedades magnéticas da bicamada foram investigadas. As temperaturas da SRT da bicamada foram determinadas em 255 K e 350 K, e a energia do acoplamento na interface foi estimada em 1.4 mJ · m−2 . Em consequência do acoplamento, a precessão dos momentos magnéticos do Fe ocorre no campo de troca efetivo originado na camada de NdCo5. Consequentemente, ocorre uma transferência parcial da anisotropia magnética do NdCo5 para o Fe. Essa transferência foi explorada para seguir a SRT do NdCo5 de forma indireta, através da variação com a temperatura do sinal de FMR do Fe. Camadas ferromagnéticas livres de MgO/FeCoB(tFCB)/Ta e junções de túnel magnéticas perpendiculares (pMTJ) contendo uma camada livre idêntica, foram preparados por sputtering com recurso a magnetrão. As medições da magnetoresistência de túnel (TMR) e de FMR revelaram uma evolução gradual da camada livre desde um comportamento de filme contínuo, para as maiores espessuras, até ao de um conjunto de grãos fracamente acoplados para tFCB 1014 cm−2 , para o qual ocorreu uma forte modulação da anisotropia, provocada por um forte decréscimo de MS atribuído à mistura da camada de FeCoB/Ta. Essa modulação foi acompanhada de uma perda dos acoplamentos magnéticos e da TMR, que tornariam a MTJ inoperacional. Resumidamente, foram encontradas evidências da origem micromagnética da anisotropia de cone fácil em multicamadas contendo a interface de FeCoB/MgO. A gama de condições experimentais para a obtenão do estado de cone fácil (espessura da camada de FeCoB e temperatura) foram alargadas para camadas de MgO/FeCoB/MgO contendo espaçadores metálicos. A irradiação iónica foi demonstrada como uma ferramenta útil para a indução da anisotropia de cone fácil. As tendências de evolução da anisotropia magnética em função da irradiação, bem como a janela de fluências onde a modulação da anisotropia ocorre sem perda total da TMR ou da configuração magnética da MTJ, foram determinadas. Programa Doutoral em Engenharia Física

In this thesis, we study the di erent types of boundary modes found in Lieb-type tight-binding Hamiltonians (of chains, ribbons and square clusters) that are strongly dependent on the symmetries present in the lattice. A new topological description is developed, with the aim of predicting the behaviour of these edge states. Due to the unconventional symmetry features of the Lieb unit cell, a generalization of the Zak's phase invariant and the chiral pairing operation is realized and implemented to sustain our topological characterization. Our analysis reveals that, while a large set of boundary states have a common well de ned topological phase transition, other edge states re ect a topological non-trivial phase for any nite value of the hopping parameters and are responsible for the appearance of corner states in the two dimensional Lieb rotated square lattice when reaching a higher symmetry class. The introduction of symmetry preserving local onsite potentials in these Lieb-type systems lifts the "degeneracy" of the topological transition point, inducing a "cascade" of topological transitions. This feature is enhanced with increasing lattice spatial dimensions. A presente dissertação tem como objetivo estudar os diferentes estados de fronteira existentes em Hamiltonianos de tight-binding de sistemas baseados na rede de Lieb, com grande dependência na simetria do sistema. No decurso da tese, uma descrição topológica é desenvolvida com o propósito de prever o comportamento destes estados fronteira. Devido às características pouco convencionais de simetria na célula unitária da rede de Lieb, foram formuladas generalizações do invariante topológico baseado na fase de Zak e da operação de emparelhamento quiral de estados, posteriormente implementadas de modo a sustentar a caracterização topológica dos sistemas estudados. A análise revela a existência de estados de fronteira com uma transição de fase topológica bem de finida e outros que refletem uma fase topológica não-trivial para qualquer escolha de parametros de salto. Estes últimos, são responsáveis pela criação de estados de canto na rede quadrada de Lieb rodada quando uma classe de simetria superior é alcançada. A partir da introdução de potenciais locais que preservam a simetria nos sistemas baseados na rede de Lieb, a "degenerescência" do ponto de transição topológica é levantada, induzindo uma "cascata" de transições topológicas. Este efeito é otimizado pelo aumento das dimensões espaciais do sistema. Mestrado em Engenharia Física

Submitted by Cristina Santos (cmaria@ua.pt) on 2019-01-28T14:30:26Z No. of bitstreams: 1 Documento.pdf: 13257292 bytes, checksum: da81c51f16ffcd5ce0f556607190995e (MD5) Made available in DSpace on 2019-01-28T14:30:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Documento.pdf: 13257292 bytes, checksum: da81c51f16ffcd5ce0f556607190995e (MD5) Previous issue date: 2018-07-26 Mestrado em Engenharia Física

Mestrado em Engenharia Física O presente trabalho tem como objetivo aplicar a tecnologia laser para desenvolver um método alternativo à correção de defeitos em peças cerâmicas fabricadas pela empresa Sanindusa. No tratamento tradicional, a empresa recorre ao recozimento da totalidade da peça cerâmica com o objetivo de reparar defeitos com dimensões reduzidas, na ordem dos mm2, estando associados elevados consumos energéticos. Neste trabalho é apresentado um estudo recorrendo à tecnologia laser de CO2. Numa primeira fase do trabalho foi estudado o efeito da radiação laser no vidrado base usada pela Sanindusa como material de reparação, variando potências, áreas de interação da radiação laser e tempos de tratamento. O estudo realizado permitiu definir os parâmetros que conduzem ao melhor resultado: 55W com um tempo de interação de 6:40min. No entanto, com o aumento da área de interação, verificou-se uma melhor homogeneização entre as superfícies do vidrado base com o vidrado da peça, verificando-se que os melhores resultados eram obtidos para 70W com área de interação de 56,75mm2. Não obstante estas condições conduzirem a resultados promissores, todas as situações conduziam ao desenvolvimento de uma fissura circular em torno do defeito, resultante dos elevados gradientes térmicos causados pela radiação laser. Foi então explorado o uso de uma mesa elevatória que permite variar a área de interação durante o ciclo de tratamento. Verificou-se que para uma diminuição da área com velocidades de 0,2 e 0,3 mm.s-1, era possível reduzir o aparecimento de fissuras no seu interior e que a fronteira entre o defeito e o vidrado da peça era ainda mais homogénea. No entanto, como a fissura circular continuava a surgir, realizou-se um novo estudo recorrendo a novos materiais com o objetivo de reduzir a potência laser necessária para fundir o material e desse modo reduzir as tensões térmicas. Os materiais estudados além de não permitirem reduzir significativamente a potência do laser também não mostravam compatibilidade com o vidrado da peça cerâmica, ao contrario do que acontecia com o vidrado base. Com o objetivo de encontrar uma nova solução, foi desenvolvido um sistema que permite acoplar uma lâmpada de radiação infravermelha ao sistema laser, de forma a minimizar os gradientes térmicos causados pelo laser no tratamento com o vidrado cerâmico. O estudo efetuado com este novo setup, permitiu reduzir a potência do laser necessária ao tratamento para valores da ordem dos 60W e mostrou, que as fissuras circulares eram efetivamente minimizadas. This dissertation aims to use laser technology to develop an alternative correction method for ceramic defects in Sanindusa’s products. Traditionally, the company completely re-fires the ceramic piece in order to correct small defects with only a few mm2. This represents an high energy consume. This dissertation presents a study based on CO2 laser technology. Firstly, the effect of the laser radiation on a base glaze used by Sanindusa was studied, with variations in power, areas of radiation interaction and duration. The study allowed to define the parameters that lead to the best result: 55W with a period of interaction 6:40min. However, in a larger interaction area, a better homogenization between the surface of the base glaze and the piece’s glaze was found. This means that the best results were found for 70W in an interaction area of 56,75mm2. Despite these conditions showing promising results, all situation led to the development of a circular crack around the defect, consequence of the elevated thermal gradients caused by laser radiation. The use of an elevator table that allows variation in the interaction area during the cycle of treatment was then explored. It was observed that, for a reduction of the area with speeds of 0,2 and 0,3mm.s-1, it was possible to reduce the cracks in the interior and that the frontier between the defect and the glaze was even more homogenous. However, since the circular crack continued appearing, a new study was done using new materials with the purpose of reducing the laser power necessary to melt the material and reduce thermal tensions. Besides not allowing to significantly reduced the laser power, the studied material not shows compatibility with the ceramic piece’s glaze, unlike what happened with the base glaze. In order to find a new solution, a system was developed and add an infrared radiation lamp to the laser system. This would minimize the thermal gradients caused by the laser treating the ceramic glaze. This new setup allowed to reduce the laser power to values around 60W and shows that the circular cracks were effectively minimized.

Doutoramento em Engenharia Física O trabalho descrito nesta tese lida com o estudo de novos conceitos e ferramentas para a otimização da capacidade e eficiência energética das redes em fibra ótica, quer sejam elas as redes que já estão instaladas por todo o mundo ou as redes da próxima geração. Um novo método para otimizar dois parâmetros de transmissão em redes com mapeamento de dispersão é apresentado. Um algoritmo foi desenvolvido para calcular os valores ideais de pré dispersão e potência. Os resultados desta nova metodologia foram comparados com os de metodologias aplicadas por um software comercial. Neste caso de estudo, efetuado para uma rede de fibra ótica submarina, os resultados da nova metodologia foram obtidos mais rapidamente, preservando a exactidão dos mesmos. As redes de longo período (LPGs) são propostas nesta tese como meio para produzir componentes passivos para as redes da próxima geração, que usam o conceito de multiplexagem espacial e fibras com múltiplos núcleos, redes essas que apresentam uma maior capacidade de transmissão por fibra e usam menos componentes. Um estudo comparado três técnicas de inscrição em fibras standard monomodo é apresentado. Uma técnica melhorada para gravar LPGs foi proposta. Com esta técnica é possível gravrar LPGs com picos de atenuação de -25 dB e perdas induzidas pela polarização inferiores a 2 dB, com uma alta taxa de reprodutibilidade, com os valores entre os picos de ressonância de v arias amostras a apresentarem uma diferença máxima de 1 nm . O uso de uma LPG para promover transferência de potência ótica entre dois núcleos de uma fibra com quatro núcleos foi demonstrado experimentalmente com um sinal modulado a 200 Gb/s DP-16QAM. The work described in this thesis deals with studying new concepts and developing tools for improving the capacity and e ciency of optical networks, whether they are the existing networks that already span the globe or those that will be deployed in the future. A new method for optimizing two key launch parameters in legacy dispersion managed (DM) networks is presented. An algorithm was developed to calculate optimum pre-dispersion and launch power values. The results of this methodology were compared to those of a commercial software. For this case-study, in a submarine link scenario, the new method is found to be faster while preserving accuracy. Long period gratings (LPGs) are proposed in this thesis as the foundation for producing passive devices that will operate in future networks that use the concept of space division multiplexing (SDM), which uses new types of bers such as multicore bers (MCFs), reducing components and upgrading the capacity per ber. A study comparing three LPG inscription techniques in both standard single mode bers (SSMFs) and (MCFs) was performed. An improved technique to inscribe LPGs in SSMFs was proposed. With this technique, LPGs can be produced with a maximum di erence between resonant wavelength values of less than 1 nm. Furthermore, it is possible to inscribe LPGs, with attenuation dips of -25 dB while at the same time obtaining polarization-dependent losses as low as 2 dB. The use of a LPG to promote selective coupling between two cores of a 4-core ber was experimentally demonstrated. The device was successfully tested for a 200 Gb/s DP-16QAM signal transmission.

Doutoramento em Engenharia Física Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2018-06-26T16:51:50Z No. of bitstreams: 1 Almeida, Telmo David Pelicano de .pdf: 18218707 bytes, checksum: 530cef4b3068165c565272eab70ff73a (MD5) Made available in DSpace on 2018-06-26T16:51:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida, Telmo David Pelicano de .pdf: 18218707 bytes, checksum: 530cef4b3068165c565272eab70ff73a (MD5) Previous issue date: 2018

Mestrado em Engenharia Física Este trabalho tem como objetivo a síntese de elétrodos à base de grafeno induzido por laser (LIG) para serem explorados pela primeira vez num sistema de desionização capacitiva (CDI) para remoção de iões da água. O trabalho foi desenvolvido em colaboração com a Bosch Termotecnologia S.A. Aveiro no âmbito de um projeto em Co-promoção. A síntese dos elétrodos de LIG foi realizada utilizando um polímero comercial, Kapton, sobre o qual se fez incidir um feixe laser de CO2. O trabalho focou-se no estudo da influência de vários parâmetros de processamento a laser para a otimização dos elétrodos. A caracterização do material foi feita usando as técnicas de microscopia eletrónica de varrimento (SEM), medição da superfície específica (BET), espectroscopia de Raman, medidas de resistência elétrica pela técnica de Van der Pauw e testes de estabilidade em fluxo de água. Paralelamente a este estudo foram também caracterizados quatro elétrodos comerciais. Para a caracterização dos elétrodos foi desenvolvido um sistema que permite avaliar o comportamento no processo de desionização capacitiva nos modos de corrente (CC) e tensão (CV) constantes. O desempenho do material desenvolvido foi avaliado através da análise de ciclos de carga/descarga, e comparado com o comportamento dos dois melhores elétrodos comerciais. Os testes realizados permitiram observar a operação de CDI em todos os elétrodos, embora com diferentes níveis de desempenho. Os elétrodos de LIG revelaram uma curva de carga/descarga tipicamente capacitiva, não obstante o seu desempenho ser inferior aos elétrodos comerciais. Os resultados obtidos neste estudo exploratório, aliados ao método de produção a laser de baixo custo, põem em evidência o potencial destes elétrodos para uma aplicação CDI industrial requerendo, no entanto, a sua otimização. The goal of this work is the synthesis of electrodes based on laser induced graphene (LIG) to be explored for the first time in a capacitive deionization (CDI) system for ion removal from water. The work was developed in cooperation with Bosch Thermotechnology S.A Aveiro in the ambit of a project in Co-promotion. The LIG’s electrodes synthesis was done using a commercial polymer, Kapton, in which a CO2 laser beam was irradiated. The work focused on the study of the influence of various laser processing parameters for the optimization of the electrodes. The characterization of the material was done using techniques such as scanning electron microscopy (SEM), specific surface adsorption measurements (BET), Raman spectroscopy, Van der Pauw electrical resistance sheet measurements and stability tests in the presence of a water flow. In parallel with this study, four commercial electrodes were also characterized. For the characterization of the electrodes was developed a system which allowed to evaluate their behaviour in the process of capacitive deionization in the operation modes of constant current (CC) and voltage (CV). The performance of the developed material was assessed via the analysis of the charge/discharge cycles, and comparing them to the behaviour of two other commercial electrodes. The test executed showed the CDI operation in all of the electrodes, although with different levels of performance. The LIG electrodes revealed a charge/discharge curve typically capacitive, regardless of showing inferior performance results compared to the commercial electrodes. The results obtained in this exploratory work, allied to the LIG’s electrode production at low cost, evidences the potential of these electrodes for an industrial CDI application requiring, however, further optimization.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Física apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia As Câmaras Gama são uma das ferramentas mais utilizadas na área da Medicina Nuclear. Os fotomultiplicadores incluídos nestas câmaras são dos seus elementos mais importantes, mas também aqueles que sofrem uma maior deterioração com o uso e o tempo. A única solução para estes casos de deterioração é a abertura do detetor da câmara gama e a substituição dos fotomultiplicadores marcados como problemáticos. Algumas das dificuldades que se enfrentam durante este processo passam pelo enorme trabalho na substituição e o ajuste do ganho de todos os fotomultiplicadores do detetor após a substituição.Como resposta a este problema, foi desenvolvido um sistema, constituído por um LED, um pré-amplificador, um amplificador e um multi-canal, que permite avaliar os ganhos relativos dos fotomultiplicadores e verificar o seu ganho antes de serem introduzidos no detetor. A partir dos testes realizados em 17 fotomultiplicadores foi possível estabelecer um limite mínimo para o ganho relativo destes e assim garantir um parâmetro de qualidade na avaliação de futuros fotomultiplicadores.Outro problema recorrente em câmaras gama é a existência de defeitos, ou o surgimento de novos, nas placas pré-amplificadoras dos fotomultiplicadores. A solução encontrada para este problema baseia-se numa montagem experimental que fornece todas as alimentações necessárias à placa e permite a observação do sinal de saída no osciloscópio. Assim torna-se possível comparar as várias placas pré-amplificadoras e, em conjunto com o teste de ganho relativo, verificar se o sinal de defeito apresentado na câmara gama corresponde a um problema no fotomultiplicador em questão ou na sua placa.Foi ainda testado um fotomultiplicador no regime de fotoeletrão único com o intuito de estabelecer um procedimento para determinação do valor absoluto do ganho. A medição do ganho absoluto de um fotomultiplicador e de ganhos relativos de um conjunto destes permitiu determinar os valores de ganhos de todos os fotomultiplicadores testados. Gamma Cameras are one of the most utilised tools in Nuclear Medicine. The photomultipliers tubes included in these cameras are one of its most important elements, but they are also the ones who suffer the most deterioration throughout time and use. The only solution for these cases of deterioration is opening the detector and substituting the problematic photomultipliers. During this process of substitution there are some difficulties to be faced, from the hard task of opening the detector to the difficult process of correcting every gain in every photomultiplier.As an answer to this problem, a system was developed to evaluate the relative gains of the photomultipliers and check if they are in good conditions to be put back in the detector. This system includes a LED, a pre-amplifier, an amplifier and a multichannel analyzer. From the tests applied to 17 photomultipliers, it was possible to establish a minimum limit to the relative gain and therefore ensure the quality of the photomultipliers that will be tested in the future .Another recurrent problem in gamma cameras is the existence of defects, or the emergence of new ones, in the pre-amplifier boards of each photomultiplier. The solution found is based on a experimental setup that applies every voltage needed to the pre-amplifier board and allows the observation of the output in a oscilloscope. This way, it is possible to compare several pre-amplifier boards and, with the relative gain test, check if the stated defect is located in the photomultiplier or in its pre-amplifier board.A photomultiplier tube was also tested in the single photon region with the purpose of establishing a procedure to determine its absolute gain. The determination of this absolute gain in conjunction with the relative gain tests allowed the determination of the gain of every photomultiplier in the sample.

Mestardo em Engenharia Física Neste projeto sintetizaram-se pela primeira vez e caracterizou-se estrutural, ótica e termicamente a granada de itérbio e alumínio (YbAG) dopada com érbio e codopada com molibdénio sintetizada pelo método de autocombustão em solução (SCS). Este método, rápido e de baixo custo, permitiu a síntese de fósforos, na forma de pós com dimensões submicrométricas que foram posteriormente sujeitos a tratamentos térmicos. Para a caracterização estrutural dos fósforos foram usadas as técnicas de difração de raios-X (DRX) e a espectroscopia de Raman, que corroboram a existência predominante da fase YbAG nas amostras sintetizadas, com uma perda do carácter monofásico com a incorporação de molibdénio, recuperada posteriormente com um tratamento térmico aos 1200 0C. As amostras produzidas foram também analisadas por microscopia eletrónica de varrimento (SEM) com análise química elementar por espectroscopia de dispersão de energia (EDS). Identificou-se a composição típica de uma estrutura de YbAG e uma dispersão de partículas compostas por aglomerados submicrométricos. As propriedades óticas das amostras, foram analisadas por técnicas de refletância, fotoluminescência (PL) e excitação da fotoluminescência (PLE) revelando a estrutura dos níveis de energia eletrónica importantes para a compreensão do desempenho deste material como emissor/sensor de temperatura. As propriedades opto-térmicas, foram estudadas por PL em “upconversion” com excitação no infravermelho para diferentes densidades de excitação e temperaturas entre os 80 K (-190°C) e os 800 K (530 °C). Mostrou-se, relativamente às amostras apenas dopadas com érbio, uma melhoria significativa das propriedades de emissão da amostra codopada com molibdénio, sendo estas essenciais para a melhoria das propriedades termométricas. As amostras de YbAG:Er:Mo submetidas a tratamentos térmicos a 1200 ºC revelaram excelentes características (intensidade de emissão, gama de temperaturas utilizável, sensibilidade) para a sua utilização como sensor de temperatura na gama dos 80 K (-190°C) aos 800 K (530 °C). In this project, for the first time it was synthesized YbAG doped with erbium and co-doped with molybdenum by the self-combustion solution method (SCS) and structurally, optically and thermally characterized. This fast and low-cost method, allowed the synthesis of phosphors in the form of powders with submicron dimensions that were later subjected to thermal treatments. Structural characterizzation was performed by X-Ray Diffraction (XRD) and Raman spectroscopy. Both corroborate the predominant existence of YbAG phase in the synthesized samples, with a loss of the monophasic character with the incorporation of molybdenum, lately recovered with a heat treatment at 1200 °C. The synthetized samples were also analysed by Scanning Electron Microscopy (SEM) and by Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). A typical chemical composition of a YbAG structure were obtained and a dispersion of particles composed by submicron agglomerates were identified. The optical properties of the samples were analysed by photoluminescence (PL) and photoluminescence excitation (PLE), revealing the structure of the electronic energy levels, important for understanding the performance of this material as emitter/temperature sensor. The opto-thermal properties were studied by up conversion PL with infrared excitation at different excitation densities and temperatures. A significant enhancement in the emission properties of the sample co-doped with molybdenum was shown. The YbAG: Er: Mo samples submitted to thermal treatments at 1200 °C, revealed excellent characteristics (emission intensity, usable temperature range, sensitivity) to be use as a temperature sensor in the range of 80 K (-190°C) and 800 K (530 °C).

Mestrado em Engenharia Física Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2018-06-05T15:20:54Z No. of bitstreams: 1 Diana Raquel Jesus.pdf: 4836736 bytes, checksum: 040b068c5993e68e07d73738d76ea54f (MD5) Made available in DSpace on 2018-06-05T15:20:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Diana Raquel Jesus.pdf: 4836736 bytes, checksum: 040b068c5993e68e07d73738d76ea54f (MD5) Previous issue date: 2017-07-31

Mestrado em Engenharia Física Submitted by Cristina Santos (cmaria@ua.pt) on 2018-05-25T10:54:48Z No. of bitstreams: 1 15287 David Furtado - Tese de Dissertação 2017.pdf: 3045927 bytes, checksum: f7abb33c34d746f26d390f0ba92c4780 (MD5) Made available in DSpace on 2018-05-25T10:54:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 15287 David Furtado - Tese de Dissertação 2017.pdf: 3045927 bytes, checksum: f7abb33c34d746f26d390f0ba92c4780 (MD5) Previous issue date: 2017

Mestrado em Engenharia Física As fibras óticas poliméricas têm vantagens significativas para muitas aplicações de sensoriamento, tais como elevada resistência mecânica, flexibilidade, biocompatibilidade e elevada sensibilidade a variações de temperatura e deformação. A implementação de redes de Bragg nestas fibras permite o desenvolvimento de dispositivos com a capacidade de filtrar sinais na área da fotónica e de aplicação em sistemas com sensores de alta precisão. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo a gravação de diferentes tipos de redes de Bragg em fibra ótica polimérica através do método da máscara de fase, e a caracterização da sua resposta face a diferentes perturbações externas. Estes dispositivos foram desenvolvidos através da implementação de novos conceitos experimentais, com o intuito de obter alta sensibilidade para aplicações em ambientes reais. Foram gravadas com sucesso redes de Bragg uniformes e redes com deslocamento de fase em fibra ótica polimérica microestruturada de PMMA, dopada com Benzildimethylketal, usando apenas um pulso de energia 6.3 mJ de um laser KrF pulsado, com emissão a 248 nm. Também foram gravadas redes aperiódicas em fibra ótica polimérica de PMMA sem dopante, onde foi monitorizado o crescimento das redes com a incidência de alguns pulsos. Para além da caracterização da resposta das redes de Bragg a diferentes perturbações externas, também foram testados diferentes procedimentos durante o tratamento térmico da rede de Bragg em fibra ótica polimérica, com o objetivo de variar permanentemente o comprimento de onda de Bragg para valores superiores. Polymer optical fibers have significant advantages for many sensing applications, such as high mechanical strength, flexibility, biocompatibility and high sensitivity to temperature and strain variations. The implementation of Bragg gratings in these fibers allows the development of devices with the ability to filter signals in the photonic fields and with applicability in high precision sensor systems. In this context, the present work focuses on inscribing different types of polymer optical fiber Bragg gratings using the phase mask method, and the characterization of these structures response to different external perturbations. These devices were developed through the implementation of new experimental concepts, with the aim of obtaining high sensitivity for real environment applications. Uniform and phase shifted Bragg gratings were successfully inscribed in PMMA microstructured optical fiber, doped with Benzildimethylketal, using only one pulse with energy 6.3 mJ from a KrF pulsed laser, emiting at 248 nm. Aperiodic gratings were also inscribed in undopant PMMA optical fiber, where the growth of the grating through the incidence of few pulses was monitored. In addition to the characterization of the response from Bragg gratings to different external perturbations, different procedures were also tested during the annealing of the polymer optical fiber Bragg grating, in order to permanently tuning the Bragg wavelength to higher values

Doutoramento em Engenharia Física Submitted by Cristina Santos (cmaria@ua.pt) on 2017-07-03T08:55:25Z No. of bitstreams: 1 Thesis_Final.pdf: 10547565 bytes, checksum: b460559fe6cebcbe307bca419edfd336 (MD5) Made available in DSpace on 2017-07-03T08:55:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Thesis_Final.pdf: 10547565 bytes, checksum: b460559fe6cebcbe307bca419edfd336 (MD5) Previous issue date: 2017

Mestrado em Engenharia Física Os compostos designados como CZTS (Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4 e Cu2ZnSn(Sx, Se1-x)4) constituem atualmente uma das maiores promessas para produção de células solar à escala de TW, devido ao uso de elementos abundantes e ambientalmente benignos, ao contrário dos compostos equivalentes no sistema CIGS. Contudo, ainda é necessário ultrapassar algumas barreiras de modo a atingir níveis de performance necessários para o desenvolvimento à escala industrial desta tecnologia. Uma tendência de investigação promissora consiste em introduzir uma gradação vertical no bandgap, ao longo da espessura da camada absorvente, através da variação do rácio S/(S + Se). Neste trabalho, camadas absorventes à base de CZTSxSe1-X foram produzidas pelo método de deposição de precursores empilhados por pulverização catódica seguido de sulfurização em H2S, em que o elemento Se é introduzido nos precursores por evaporação térmica. Duas configurações foram testadas: uma com a sequência de empilhamento ZnS/SnS2/Se/Cu repetida por vários períodos, e outra em que uma única camada de Se é introduzida no topo da sequência total de precursores. Usando este método, foram atingidos rácios S/(S + Se) aproximados desde 1 até perto de 0.5. A gradação da composição em profundidade foi parcialmente atingida, como é revelado através de Radiofrequency Pulsed Glow Discharge Time-of-Flight Mass Spectrometry (rf-PGDTOFMS). As camadas absorventes resultantes foram usadas para fabricar células com a estrutura SLG/Mo/CZTSSe/CdS/i-ZnO/ITO. A eficiência máxima atingida nos dispositivos fabricados foi 1.3%, numa camada com um rácio S/(S + Se) aproximado de 0.91, produzida a partir de precursores com Se no interior dos precursores empilhados. Microscopia de Eletrões Secundários (SEM), Espetroscopia de Dispersão de Energia (EDS), espetroscopia Raman e rf-PGD-TOFMS foram usados para caraterizar as amostras produzidas. As camadas absorventes produzidas, incluindo as com maior eficiência fotovoltaica, exibiram bolhas, rebentadas ou não rebentadas, e que rebentavam superficialmente ou rebentavam expondo o contacto inferior completamente, dependendo das condições de processamento. Este fenómeno foi estudado em detalhe, e novas observações não reportadas na literatura até ao momento foram encontradas, apontando para a possibilidade de controlar a formação de bolhas através do ajuste do perfil de sulfurização. Baseado nestes resultados, sugere-se uma revisão dos modelos propostos na literatura, e propõe-se um novo modelo baseado na volatilização de reagentes. CZTS-based compounds (Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4 eCu2ZnSn(Sx, Se1-x)4) have become one of the major contenders for solar cell production at the TW level owing to the use of earth-abundant and environmentally benign elements, unlike their CIGS counterparts. However, some hurdles still need to be overcome in order to achieve performance levels necessary for industrial scalability. One promising trend of investigation consists in introducing a vertical bandgap grading along the thickness of the absorber by means of a variation of the S/(S + Se) ratio. In this work, CZTSxSe1-X absorbers were produced by the standard two-step process of sputtering deposition of a precursor stack followed by annealing in H2S, where the element Se was added in the precursor deposition stage using thermal evaporation. Two configurations were tested: one with the stacking sequence ZnS/SnS2/Se/Cu repeated for various periods, and another configuration where a single Se layer is evaporated on top of the multi-period precursor stack. Using this method, average S/(S + Se) ratios from 1 to close to 0.5 were demonstrated. Composition grading in depth was partially achieved as shown by Radiofrequency Pulsed Glow Discharge Time-of-Flight Mass Spectrometry (rf-PGD-TOFMS). The resulting absorbers were used to fabricate solar cells with the structure SLG/Mo/CZTSSe/CdS/i-ZnO/ITO. The highest efficiency achieved in the devices produced was 1.3%, using an absorber with an average S/(S + Se) of 0.91, produced from precursors with Se within the stack. Secondary Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Raman spectroscopy and rf-PGD-TOFMS was used to characterize the absorbers produced. The absorbers produced, including the highest performing devices, exhibited blisters, which would either burst or not burst, and burst either superficially or completely exposing the back contact, depending on processing conditions. This phenomenon was studied in detail, and new evidence was found, which has not been considered in literature so far, pointing to the possibility of significantly controlling blister formation by appropriately tuning the sulfurization profile. Based on these results, a review of the models proposed in literature to explain blister formation in CZTS is suggested, and a new model based on the volatilization of reactants is proposed.

Mestrado em Engenharia Física Nesta dissertação de Mestrado nós avaliamos as características da corrente do canal de um GaN High Electron Mobility Transistor (GaN HEMT) pelas suas características memristivas. Utilizando uma implementação do modelo físico de SRH em Matlab e diversas medidas experimentais pulsadas I-V e resultados de excitação sinusoidal, n os demonstramos que o canal de um GaN HEMT afectado por traps de níveis profundos pode, de facto, apresentar as duas características fundamentais do critério de memristividade: (i) Uma trajetória com histerese comprimida no espaço de fase iDS /vDS quando o dispositivo e excitado por um estimulo sinusoidal, e (ii) uma histerese cuja área é monotónica e desvanece para frequências cada vez maiores. In this MSc Thesis we evaluate the channel current characteristics of a GaN High Electron Mobility Transistor (GaN HEMT) for its potential memristive characterisics. Using a Matlab implementation of the SRH physics model and several experimental pulsed I/V and sinusoidal excitation data, we demonstrate that GaN HEMT channels a ected by deep level traps can indeed display the two fundamental memristive criteria: (i) A pinched hysteretic trajectory in the iDS=vDS phase plane when the device is excited by a sinusoidal stimulus, and (ii) a hysteresis area that is monotonic and vanishes for increasingly higher frequencies.

Doutoramento em Engenharia Física Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2018-06-21T16:26:02Z No. of bitstreams: 1 Albuquerque, André Antunes de Carvalho .pdf: 15290707 bytes, checksum: eec57dbdb8c5577c46e9d8503d7e9691 (MD5) Made available in DSpace on 2018-06-21T16:26:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Albuquerque, André Antunes de Carvalho .pdf: 15290707 bytes, checksum: eec57dbdb8c5577c46e9d8503d7e9691 (MD5) Previous issue date: 2017

Mestrado em Engenharia Física O presente trabalho teve como objetivo acompanhar e auxiliar o desenvolvimento da empresa Volcalis-Isolamentos Minerais S.A., nomeadamente na instalação de um forno para a produção de bra de vidro. Durante o estágio fui requerido para procurar possíveis fornecedores de matérias-primas para a empresa e estudar modelos de cálculos teóricos, em função da composição da bra de vidro (lã mineral), de algumas propriedades importantes, como, por exemplo, a viscosidade e a resistividade do vidro a altas temperaturas e a densidade do vidro à temperatura ambiente. Foi discutido os métodos e processos da produção de vidro para adquirir conhecimentos da produção da bra de vidro e dos outros produtos nais do vidro. Posteriormente, foi realizado cálculos teóricos para a determinação da viscosidade em função da temperatura, a densidade do vidro e a resistividade em função da temperatura com o objetivo de atingir um melhor desempenho na produção da bra de vidro. Foi preparado em laboratório um vidro com as matérias-primas que irão ser utilizadas industrialmente. Estas amostras foram caracterizadas por análise térmica diferencial, cálculo de densidade e condutividade elétrica e espetroscopia de impedância. Com a análise térmica diferencial conseguiu-se identi car a temperatura de transição de fase. Com a caracterização elétrica mediu-se a condutividade dc, a condutividade ac e propriedades dielétricas no vidro para uma gama de frequências de 103 até 106 Hz, entre 160 a 650 K. The main objective of the present work was to collaborate in the installation of a new factory of mineral wool by Volcalis-Isolamentos Minerais S.A. enterprise. During the internship I was required get in touch with raw material's suppliers and study the theoretic models to calculate, in function of mineral wool's composition, the necessary raw materials and the properties of the melted glass at high temperatures, namely, viscosity and resistivity, and glass density at room temperature, with the aim of choosing the raw material suppliers. Another objective was to be come familiar with the preparation process of mineral wool and other glass nal products the industrial methods and production. Theoretic calculations were made to nd relations between the viscosity and temperature. The same was made for the relation between resistivity and temperature to achieve a better performance in the production of mineral wool. It was also performed a density determination at room temperature. Glass samples had been prepared with raw materials that will be used industrially. These samples were characterized by di erential thermal analysis, density and electrical conductivity calculation and impedance spectroscopy. With di erential thermal analysis, it was possible to identify the phase transition temperature. The dc electrical conductivity, ac conductivity and dielectric properties (impedance spectroscopy) in the glass were measured and analyzed (impedance, dielectric constant and modulus) in the frequencies range from 103 to 106 Hz and between 160 and 650 K.

Doutoramento em Engenharia Física Hoje em dia, a tecnologia de fibra óptica está a ser amplamente usada nas áreas de telecomunicações e sensores. Historicamente, as qualidades das fibras ópticas poliméricas (POFs) têm sido menosprezadas devido à popularidade das fibras óticas de vidro. Tal facto advém maioritariamente da sua elevada atenuação. No entanto, os materiais que compõem as POFs têm vindo a melhorar significativamente nestes últimos anos. Nesse sentido, a emergência de novas técnicas e dispositivos têm vindo a ser demonstradas/os. Considerando o campo das telecomunicações, as POFs estão a crescer rapidamente em aplicações de redes de acesso. Além disso, o advento da operação monomodo e das redes de Bragg em POF estão a ser amplamente explorados em aplicações de sensores e portanto, este tipo de tecnologia tenderá a ser uma realidade num futuro próximo. Devido à necessidade de criar uma conexão de baixa perda entre fibra óptica de vidro e polimérica, será demonstrada uma nova técnica capaz de produzir terminais de POF de alta qualidade, num processo rápido, fácil e semiautomático. A conectorização destes tipos de fibras será também analisada nesta dissertação. No seguimento desta tese serão desenvolvidos dois sistemas de gravação de redes de Bragg em POF. Num dos sistemas será usado o tradicional laser de HeCd com operação nos 325 nm, sendo que noutro será usado o laser de KrF com operação nos 248 nm. Os resultados mostrarão a capacidade de gravar redes de Bragg em POF em apenas alguns segundos, contrariamente às várias dezenas de minutos necessários com o laser de 325 nm. Com base no sucesso dos resultados, o sistema de gravação que opera nos 248 nm será usado para fabricar redes de Bragg noutros tipos de fibras, incluindo as de índice em degrau, micro-estruturadas e sem bainha. A gravação de redes de Bragg de excelente qualidade em POFs de elevada birrefringência também será apresentada. A separação entre picos de ressonância irá ser usada para estimar a birrefringência de fase, que será então comparada com a obtida por simulações numéricas e com recurso ao método de varredura de comprimento de onda. As redes de Bragg produzidas pelos métodos anteriores serão então caracterizadas à deformação, temperatura, pressão, humidade e índice de refracção. Os resultados serão comparados com a literatura e com aqueles encontrados teoricamente. Um dispositivo de interferência multimodal feito pela conexão de duas fibras ópticas monomodo de vidro a uma fibra óptica multimodo de polímero, será usado para demonstrar a medição de deformação e temperatura. As capacidades de absorção de água, oferecidas pelo material à base de polimetilmetacrilato serão usadas para medir humidade. No final desta dissertação, um sensor híbrido composto por um dispositivo de interferência multimodal, baseado em POF e contendo uma rede de Bragg, demonstrará a capacidade de medir deformação, temperatura e índice de refracção. A propriedades de baixa absorção de água por parte do material que compõe a fibra polimérica será usada para demonstrar insensibilidade à humidade por parte do sensor. Nowadays, fiber optic technology is being widely employed in communication and sensing areas. Historically, the qualities of polymer optical fibers (POFs) have been overwhelmed by the popularity of the silica optical fibers. This has been mainly due to the POFs higher transmission loss. However, in last years, POF materials are improving their performance. Therefore, the emergence of new devices and techniques have been demonstrated. Considering the communications field, POFs are growing rapidly in fiber to the home applications. Additionally, the advent of single mode operation and fiber Bragg gratings in POFs are being widely explored in several sensing applications. Consequently, this technology will tend to be a reality in a near future. Due to the need of a low loss connection between silica and polymer optical fibers, it will be demonstrated a new technique capable to produce POF terminals of high quality in an easy, fast and semi-automated process. The connectorization of these types of fibers will be then analysed in this dissertation. The development of two Bragg grating inscription systems for POFs will also be explored in this thesis. One of the systems will employ the traditional HeCd laser operating at 325 nm, while the other will use the KrF laser operating at 248 nm. Results will show the capability to write Bragg gratings in a POF in few seconds, contrary to the several tens of minutes reported for the 325 nm radiation. Based on the success of the results, the 248 nm inscription setup will be used to inscribe Bragg gratings in other types of POFs, including step-index, microstructured, and unclad POFs. The inscription of a high quality Bragg grating in a high-birefringence POF will also be presented and the phase birefringence arising from the Bragg peak separation will be compared with the numerical simulations togheter with the wavelength scanning method. The fiber Bragg gratings produced through the previous methods will be characterized to strain temperature, pressure, humidity and refractive index. Results will be compared with literature and with the ones found theoretically. A multimode interference device made by sandwiching a multimode POF between two single mode silica fibers will be used to demonstrate the ability to measure strain and temperature. The water absorption capabilities offered by the polymethylmethacrylate material will be used to measure humidity. At the end of this dissertation, a hybrid sensor composed of a POF based multimode interference device, comprising a fiber Bragg grating, will demonstrate the capability to measure strain, temperature and refractive index. The low water absorption properties of the material that composes the POF will be used to demonstrate a POF sensor with humidity insensitiveness.

Mestrado em Engenharia Física Neste trabalho é proposto um sensor de pressão para medição de nível de líquido. A produção do sensor emprega fibra ótica monomodo, de sílica, com microcavidades óticas resultantes do efeito de fusível, reduzindo o custo do sensor, comparativamente aos reportados na literatura. O sensor de pressão é testado em duas configurações diferentes, apresentando sensibilidades de 1,83±0,08 pm/mm e 4,7±0,1 pm/mm, comparáveis com alguns dos sensores de nível em fibra ótica reportados na literatura. Tendo em conta a resolução dos equipamentos de interrogação atuais (

Doutoramento em Engenharia Física Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2018-06-21T16:55:11Z No. of bitstreams: 1 Ranjbarrizi, Samaneh .pdf: 6108662 bytes, checksum: 4cdc123139dfb34b0fe84ddc0aec6485 (MD5) Made available in DSpace on 2018-06-21T16:55:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ranjbarrizi, Samaneh .pdf: 6108662 bytes, checksum: 4cdc123139dfb34b0fe84ddc0aec6485 (MD5) Previous issue date: 2017

Doutoramento em Engenharia Física Este trabalho expõe um estudo teórico e experimental das propriedades anisotrópicas magnetoelétricas (ME) em diferentes compósitos contendo monocristais piezoelétricos (PE), maioritariamente sem chumbo na sua composição, com vista a diversas aplicações multifuncionais. Uma descrição linear do efeito ME em termos de campos elétricos, magnéticos e elásticos e constantes materiais é apresentada. Um modelo fenomenológico quasi-estático é usado para ilustrar a relação entre as constantes materiais, sua anisotropia e os coeficientes MEs transversais de tensão e carga. Subsequentemente, este modelo é empregue para estimar o máximo coeficiente ME direto de tensão expectável numa série de compósitos tri-camadas de Metglas/Piezocristal/Metglas em função da orientação do cristal PE. Demonstra-se assim como os efeitos MEs são fortemente dependentes da orientação cristalina, o que suporta a possibilidade de se gerarem coeficientes MEs de tensão elevados em compósitos contendo monocristais PEs sem chumbo como o niobato de lítio (LiNbO3; LNO), tantalato de lítio (LiTaO3), ortofosfato de gálio (GaPO4; GPO), quartzo (SiO2), langatato (La3Ga5.5Ta0.5O14) e langasite (La3Ga5SiO14) através da otimização da orientação cristalina. Uma técnica experimental dinâmica de lock-in para a medição da impedância e efeito ME direto é exposta. O formalismo descritivo desta técnica, assim como um arranjo experimental desenvolvido para o efeito são apresentados. O esquema e características deste, assim como diferentes formas de reduzir o ruído e a indesejável indução mútua são exploradas. Um estudo comparativo do efeito ME direto em compósitos tri-camadas de Metglas e monocristais de LNO e PMN-PT conectados de forma simples é exposto. Embora o PMN-PT possua piezocoeficientes de carga muito superiores aos do LNO, o coeficiente ME direto de tensão demonstrou-se comparável entre ambos os compósitos devido a uma muito menor permitividade dielétrica do LNO. Cálculos teóricos indicam aínda que as propriedades MEs poderão ser significativamente melhoradas (até 500 V/(cm.Oe)) através da otimização do ângulo de corte do LNO, espessura relativa entre camadas ferroelétrica/ferromagnética e uma melhor colagem entre o Metglas e o LNO. Vantagens da utilização do material ferroelétrico LNO em compósitos MEs são discutidas. Num estudo subsequente, as propriedades dinâmicas anisotrópicas de impedância e MEs em compósitos tri-camadas de Metglas e monocristais PEs sem chumbo de LNO e GPO são exploradas. Medições foram realizadas em função do corte de cristal, magnitude e orientação do campo magnético de polarização e frequência do campo de modulação. Coeficientes MEs altamente intensos em certos modos de ressonância são explorados, e a sua relação com as propriedades materiais dos cristais e geometria dos compósitos é investigada. Um coeficiente ME de até 249 V/(cm.Oe) foi aqui observado num compósito com um cristal de LNO com corte 41ºY a 323.1 kHz. Mostramos assim que compósitos multicamadas contendo cristais sem chumbo de LNO e GPO podem exibir efeitos MEs anisotrópicos relativamente elevados. Demonstramos também que o controlo da orientação dos cristais PEs pode em princípio ser usado na obtenção de propriedades MEs anisotrópicas desejáveis para qualquer aplicação. Características únicas como elevada estabilidade química, piezoeletricidade linear e robusteza térmica abrem verdadeiras perspetivas para a utilização de compósitos baseados no LNO e GPO em diversas aplicações. Eventualmente, compósitos bi-camadas contendo lâminas PEs com bidomínios de LNO com corte 127ºY foram estudados tanto teoricamente como experimentalmente. Estas lâminas de LNO possuem uma estrutura de bidomínios com vetores de polarização espontânea opostos ao longo da direção da sua espessura (i.e. uma estrutura de macrodomínios ferroelétricos “head-to-head” ou “tail-to-tail”) Medições de impedância, efeito ME e densidade de ruido magnético equivalente foram realizadas nos compósitos operando sob condições quasi-estáticas e de ressonância. Coeficientes MEs de até 578 V/(cm.Oe) foram obtidos a ca. 30 kHz sob ressonâncias de dobramento usando cristais PEs com 0.5 mm de espessura. Medições de densidade de ruído magnético equivalente demosntraram valores de até 153 pT/Hz1/2 a 1 kHz (modo quasi-estático) e 524 fT/Hz1/2 sob condições de ressonância. É de esperar que uma otimização adicional das técnicas de fabrico, geometria dos compósitos e circuitos de detenção possa permitir reduzir estes valores até pelo menos 10 pT/Hz1/2 e 250 fT/Hz1/2, respetivamente, e a frequência de ressonância em pelo menos duas ordens de grandeza. Estes sistemas poderão assim no futuro ser usados em sensores vetoriais de campo magnético simples e sensíveis, passivos e estáveis e operáveis a elevadas temperaturas. This work presents a theoretical and experimental study of the anisotropic magnetoelectric (ME) properties of differently structured composites featuring piezoelectric (PE) single-crystals, mainly lead-free, for diverse multifunctional applications. A linear description of the ME effects in terms of electric, magnetic and elastic fields and material constants is offered. An averaging quasi-static phenomenological model is used to illustrate the relation between the material constants, their anisotropy and the transversal direct ME voltage and charge coefficients. Subsequently, the aforementioned model is employed in the calculation of the maximum expected direct ME voltage coefficient for a series of tri-layered Metglas/Piezocrystal/Metglas composites as a function of the PE crystal orientation. The ME effects are shown to be strongly dependent on the crystal orientation, which supports the possibility of inducing large ME voltage coefficients in composites comprising lead-free PE single crystals such as lithium niobate (LiNbO3; LNO), lithium tantalate LiTaO3, gallium phosphate (GaPO4; GPO), quartz (SiO2), langatate (La3Ga5.5Ta0.5O14) and langasite (La3Ga5SiO14) through the optimization of the crystal orientation. An experimental dynamic lock-in technique for the measurement of the impedance and direct ME effect is presented. The formalism describing this technique and an implemented custom-made setup are introduced. The scheme and characteristics of the latter as well as ways to reduce the noise and the undesirable mutual induction are explored. A comparative study of the direct ME effect in simply bonded tri-layered laminates of Metglas and LNO and PMN-PT crystals is exposed. Though PMN-PT has much larger charge piezocoefficients than LNO, the direct magnetoelectric voltage coefficient is found to be comparable in both trilayers due to the much lower dielectric permittivity of LNO. Calculations show that the ME properties can be significantly improved (up to 500 V/(cm·Oe)) via an optimization of the cut angle of LNO, relative thickness ratio of the ferroelectric/ferromagnetic layers and a better bonding between Metglas and LNO. Advantages of using the LNO ferroelectric in ME composites are discussed. In a subsequent study, the dynamic impedance and ME anisotropic properties of tri-layered composites of Metglas and single-crystalline lead-free PE of LNO and GPO are explored. Measurements have been performed as a function of the crystal-cut, magnitude and orientation of the magnetic bias field and frequency of the modulated field. Greatly enhanced ME coefficients in certain resonance modes are explored, and their relation to the material properties of the crystals and the geometry of the composites is investigated. The largest ME coefficient of up to 249 V/(cm·Oe) was observed for a composite with a 41ºY-cut LNO crystal at 323.1 kHz. We thus show that multilayers comprising lead-free LNO and GPO crystals can exhibit relatively large anisotropic ME effects. We also demonstrate that the control of the PE crystal’s orientation can in principle be used to obtain almost any desired quasi-static and resonant anisotropic ME properties for any given application. Such unique features as chemical stability, linear piezoelectricity and thermal robustness open up a real perspective of using lead-free LNO and GPO based ME tri-layers in various applications. Eventually, bi-layered composites comprising PE bidomain plates of 127ºY-cut LNO were studied both theoretically and experimentally. The LNO plates possessed an engineered bidomain structure with opposite spontaneous polarization vectors along the thickness direction (i.e. a “head-to-head” or “tail-to-tail” ferroelectric macrodomain structure). Impedance, ME effect and equivalent magnetic noise density measurements have been performed on the composites operating under quasi-static and resonant conditions. ME coefficients of up to 578 V/(cm·Oe) were obtained at ca. 30 kHz at the bending resonance using 0.5 mm thick piezoelectric crystals. Equivalent magnetic noise density measurements yielded values down to 153 pT/Hz1/2 at 1 kHz (quasi-static mode) and 524 fT/Hz1/2 under resonant conditions. A further optimization of the fabrication techniques, laminate geometry and detection circuit is expected to allow reducing these values down to at least 10 pT/Hz1/2 and 250 fT/Hz1/2, respectively, and the resonance frequency by at least two orders of magnitude. Such systems may in future thus find use in simple and sensitive, passive and stable, low-frequency and high-temperature vector magnetic field sensors.

Mestrado em Engenharia Física Este trabalho teve como objetivo estudar a multiplexagem espetral de códigos QR, de forma a aumentar a capacidade de armazenar informação recorrendo a materiais híbridos orgânicos-inorgânicos luminescentes. Os códigos QR multiplexados foram estudados com exposição à luz ambiente e com excitação UV de forma a excitar a emissão dos materiais luminescentes. Foram, depois, estudadas as componentes de cor no sistema RGB de cada um dos códigos QR, de forma a desmultiplexar e, assim, obter os códigos QR originais. Demonstrou-se ser possível duplicar a capacidade de armazenar a informação num código QR sem alterar as suas dimensões físicas, usando multiplexagem espetral e materiais híbridos orgânicos-inorgânicos luminescentes. Com o intuito de dar aos códigos QR uma nova aplicação como sensores de temperatura, foram testados códigos QR como termómetros luminescentes. Para tal, os códigos QR foram impressos em polimetilmetacrilato, e revestidos com nanopartículas inorgânicas Y2O3:Eu3+ e o híbridos orgânicos-inorgânicos dopados com Eu3+/Tb3+. Desta maneira, foi possível testar dois tipos de termómetros luminescentes, respetivamente, um primário através do estudo do parâmetro termométrico e um secundário através do cálculo das coordenadas de cor de emissão. Demonstrou-se a possibilidade de os códigos QR medirem temperatura usando a termometria ótica This work goal was to study the spectral multiplexing of QR codes with the purpose of increasing the storage capacity of information using luminescent organic-inorganic hybrid materials. The multiplexed QR codes were studied with exposure to ambient light and with UV excitation in order to excite the luminescent materials. Then the colour components in the RGB system of each QR codes were studied in order to demultiplex and finally obtain the original QR codes. It was demonstrated that it is possible to increase twice the storage capacity of information in a QR code without changing its physical dimensions, using spectral multiplexing and luminescent organic-inorganic hybrid materials In order to give the QR codes a new application such as temperature sensors QR codes were tested as luminescent thermometers. For this, the QR codes were printed on polymethylmethacrylate and they coated with inorganic nanoparticles Y2O3:Eu3+ and with organic-inorganic hybrid materials doped with Eu3+/Tb3+. By this way it was possible to test two types of luminescent thermometers, a primary through the study of the thermometric parameter and a secondary one through the calculation of the emission color coordinates, respectively. It was demonstrated the possibility of QR codes measuring temperature using optical thermometry.

Mestrado em Engenharia Física Nesta dissertação é estudado um sistema de distribuição de chave quântica com variáveis continuas (CV-QKD) com oscilador local gerado localmente (LLO), utilizando modulação discreta e sem alteração aleatória da base de medição. Num sistema LLO não é necessário o envio de impulsos de alta intensidade multiplexados em polarização com os impulsos de sinal de baixa intensidade. Esta técnica simplícia o sistema experimental e resolve alguns problemas de segurança associados ao sistema de oscilador local co propagante. Para a compensação da diferença de fase entre os lasers de sinal e oscilador local foram enviados impulsos de referência, contendo informação da fase instantânea do laser de sinal, multiplexados no tempo com os impulsos de sinal modulados na fase. Neste trabalho foram desenvolvidos vários blocos numéricos capazes de testar a performance de um sistema de CV-QKD com recurso a uma plataforma de simulação em desenvolvimento no IT-Aveiro. São apresentados resultados referentes à caracterização do ruído de um detetor homodino, nomeadamente o ruído térmico e \shot noise". Mais ainda, utilizando a plataforma De simulação verificamos que a taxa de chave secreta expectável decresce rapidamente com a distancia. Em ambos os casos, os resultados da simulação seguem de perto os resultados teóricos expectáveis. Foi implementado no laboratório um sistema LLO-CV-QKD e a sua performance foi avaliada. Resultados de um sistema com laser único e laser duplo são apresentados. Este sistema utilizava impulsos de sinal com um número médio de fotões por símbolo igual a 1. O esquema de compensação de fase foi desenvolvido e descrito nesta tese. Resultados referentes _a caracterização de ruído do sistema de deteção utilizado são apresentados neste documento, verificando-se que a região linear compreende-se entre 2x10 6 ≤ (n) ≤ 4x10 6 fotões/impulso. O ritmo de geração de chave secreta contra ataques individuais e coletivos do sistema experimental de CV-QKD foi avaliado. Ritmos positivos foram observados contra ataques individuais no sistema de laser único, tanto para um sistema de ligação direta como para um sistema com um canal quântico de 10 km de fibra ótica, tendo valores de Kind = 0:14 bits/símbolo e Kind = 0:014 bits/símbolo, respetivamente. Para o sistema de laser duplo nenhum ritmo de geração de chave secreta positivo foi observado, verificou-se que isto se deveu ao excesso de ruído introduzido pelos componentes óticos deste último esquema. Quantum Key Distribution, Continuous Variables, Locally generated Local Oscillator, security proof abstract In this thesis a pilot-aided Locally generated Local Oscillator (LLO) Continuous Variables Quantum Key Distribution (CV-QKD) system with discrete modulation and without random basis switching at the detection stage is studied. In a LLO system there is no need to send a high intensity reference pulse, polarization multiplexed with the low intensity signal pulse. This technique also simpli es the experimental setup and solves some security risks linked to the co-propagating local oscillator scheme. To compensate for the phase di erence between the signal and local oscillator lasers, reference pulses, carrying only the signal laser current phase, were sent timemultiplexed with the phase modulated signal pulses. In this work multiple numerical blocks capable of testing the performance of a CV-QKD system were developed with resort to a novel simulation platform under development at IT-Aveiro. Results pertaining to the noise characterization of a homodyne detector, namely thermal and shot noise, are presented. Furthermore, utilizing the simulation platform we veri ed how the expected secret key rate decreases rapidly with the transmission distance. The results obtained from these simulations closely follow the expected theoretical values. A LLO-CV-QKD system was implemented in the laboratory and its performance was evaluated. Results from both a single laser and double laser setup are presented. This system utilized signal pulses with an average photon number per symbol equal to 1. The phase di erence compensation scheme is developed and described in this document. Results pertaining to the system's noise characterization are presented in this document, the linear region was determined to be between 2x10 6 ≤ (n) ≤ 4x10 6 photons/ pulse. The secret key generation rate against individual and collective attacks of the experimental CV-QKD system was evaluated. Positive secure key rates against individual attacks were obtained in both Back to Back and 10 km optical bre quantum channel schemes for the single laser setup, taking the values of Kind = 0:14 bits/symbol and Kind = 0:014 bits/symbol, respectively. For the double laser setup no positive secret key rate was obtained, this was determined to be caused by the excess noise introduced by the optical components in this later scheme.

Doutoramento em Engenharia Física Com o presente trabalho pretendeu-se explorar soluções de fibra ótica na aquisição da onda de pulso na artéria carótida, para análise da sua morfologia e cálculo da pressão arterial central. Foram desenvolvidos três sistemas, dois baseados em redes de Bragg, gravadas em fibra de sílica, e outro em modulação de intensidade, usando fibra ótica de plástico. O primeiro sensor foi desenvolvido com o objetivo de testar a exequibilidade da utilização de fibra ótica nesta aplicação. Após resultados promissores da sua caracterização e testes em sujeitos, o desenvolvimento dos dois sensores consequentes teve por objetivo o aumento da sensibilidade e facilidade de utilização das sondas, pela melhoria da sua forma, portabilidade e autonomia. A solução baseada em intensidade mostrou-se ainda como um sistema que coligava desempenho a baixo custo, tendo por isso sido submetida a um estudo pré-clínico, comparando o seu desempenho ao de um dispositivo comercial, de natureza eletromecânica, numa pequena coorte de indivíduos saudáveis. Este estudo teve como objetivo investigar a correlação dos resultados obtidos com a sonda de fibra ótica e o dispositivo comercial. Tendo-se obtido uma correlação muito forte entre as duas técnicas, o dispositivo foi proposto para avaliação clínica. O desempenho da sonda foi assim comparado a um dispositivo comercial, numa coorte de indivíduos hipertensos. Foram também levados a cabo testes invasivos, usando como referência ondas de pressão obtidas no lúmen da artéria aorta em contexto de cateterismo cardíaco. Em ambos os estudos clínicos foram obtidos coeficientes de correlação muito fortes e diferenças de pressão média na gama obtida para dispositivos comerciais. Conclui-se assim que o dispositivo baseado em modulação de intensidade surge como uma promissora alternativa de baixo custo aos dispositivos eletromecânicos de avaliação de pressão arterial central disponíveis no mercado. The present study aimed to explore fibre optic solutions in the acquisition of the pulse wave in the carotid artery, to its morphology analysis and central arterial pressure calculation. Three systems were developed, two based on Bragg gratings, engraved in silica fibre, and another on intensity modulation, using plastic optical fibre. The first sensor was developed in order to test the feasibility of the fibre optics use in this application. After promising results in the characterization and small tests in subjects, the development of the consequent two sensors had as main goals increasing the probes sensitivity and user-friendliness, by improving its shape, portability and autonomy. The intensity-based solution proved to be the system that best combined performance to low cost, and thus was subjected to a pre-clinical study, comparing its performance to a commercial device in a small cohort of healthy individuals. This study aimed to investigate the correlation between the results obtained with the fibre optic probe and the commercial device. Having been obtained a very strong correlation between the two techniques, the device was proposed for clinical evaluation. The probe’s performance was therefore compared to a non-invasive commercial device, in a cohort of hypertensive individuals. Invasive testing was also performed, using as reference pressure waves obtained in the lumen of the aortic artery in cardiac catheterization context. In both trials very strong correlation coefficients were obtained, as well as medium pressure differences in the range verified for commercial devices. It is concluded that the device based on intensity modulation arises as promising low cost alternative to central arterial pressure assessment electromechanical devices available in the market.

Mestrado em Engenharia Física A indústria de têxteis técnicos é uma indústria em crescimento, tendo aumentado a cota dentro do setor têxtil de 5% em 1990 para 28% em 2014 [1]. É espectável que no futuro do setor os têxteis técnicos também incorporem componentes eletrónicos para o desenvolvimento de aplicações especí cas. Desenvolvimentos recentes na indústria da eletrónica exível permitiu abrir novas possibilidades, como células solares exíveis e sensores maleáveis, que podem ser aplicadas no setor têxtil. Neste relatório é discutida a possibilidade da aplicação de condutores exíveis processáveis por solução como resistências de aquecimento. É feita uma revisão das técnicas e métodos de processamento, como as técnicas de processamento em rolo que têm grandes potencialidades em larga escala, e a exploração de diferentes soluções de condutores incluindo o polímero condutor PEDOT:PSS e uma solução de um uoroelast ómero com diferentes aditivos condutores (gra te coloidal e duas partes de uma resina reativa de prata). Foi possível obter aquecimento em camadas de uoroelastómero com gra te como aditivo condutor em três substratos testados, quando foi aplicada uma tensão de +15 V DC. O valor da temperatura em equilíbrio foi atingindo dentro de dois minutos para todos os diferentes substratos. No entanto, o valor de temperatura foi diferente para cada substrato (entre 30oC e 60oC). Este resultado serve de demonstração de prova de conceito para esta aplicação, apesar de ainda ser necessário um grande trabalho de otimização para chegar a aplicações industriais The technical textile industry is in growth, raising market share within textile industry from approximately 5% in 1990 to 28% in 2014 [1]. Is expected that, in the sectors future, electronic components will be incorporated in textiles in order to develop speci c applications. Recent developments in exible electronics allowed for new devices, like malleable sensors and exible solar cells, that can be applied in the textile sector. In this report, the possibility of application of exible solution processable conductors as heating resistors is discussed. Including a review of processing techniques, such as roll-to-roll, that shows promise in large scale applications, and experimental exploration of di erent solution processable conductors, including the conductive polymer PEDOT: PSS and a solution of uorelastomer with di erent conductive llers (graphite and two parts of silver based conductive epoxy). It was possible to obtain heating on layers of uorelastomer with graphite as conductive ller in all three substrates tested, when applied +15 V DC. The equilibrium temperature was obtained within two minutes for all substrates, although the value of temperature varied with each substrate, ranging between 30oC e 60oC. This result serves as proof of concept for this application, but in order to advance to industrial feasibility is still necessary a great deal of optimisation development.

Mestrado em Engenharia Física O objetivo deste trabalho foi o estudo, através da espetroscopia Raman, da resposta ótica e estrutural de duas amostras de FeSex e Fe3Se4 sintetizadas com um novo procedimento de síntese por via química, com tempos de cozimento diferentes, assim como a conceção e construção de um dispositivo de aplicação de campo magnético, a ser integrado no espectrómetro Raman utilizado. Foi investigada, em atmosfera normal, a dependência do espetro Raman das amostras com a potência do LASER de excitação, com a temperatura e com a aplicação de um campo magnético externo, este ultimo utilizando o dispositivo construído nesta tese. O estudo com a potência do LASER revelou uma mudança estrutural, semelhante em ambas as amostras, para potências de incidência acima de 74 W. O espetro de Raman medido passa a apresentar modos Raman semelhantes aos reportados para -Fe2O3 (hematite), revelando que esta alteração estrutural observada era devida à oxidação da amostra promovida pelo aumento local da temperatura no ponto de incidência do LASER, em condições ricas em oxigénio. O estudo da dependência térmica dos modos Raman para a amostra FeSex de menor cristalinidade mostrou um comportamento anómalo com o aumento da temperatura, que não pode ser explicado unicamente pelos efeitos térmicos descritos pelo modelo do decaimento anarmónico envolvendo Processos de 3 e 4 fonões, havendo outros mecanismos como por exemplo a possibilidade de ocorrência de recozimento local da amostra. J a para a fase -Fe2O3 observa-se uma concordância no comportamento dos modos com o modelo de decaimento anarmónico, esperado nos semicondutores. Sob a aplicação de um campo magnético externo não foi observável qualquer efeito no espetro de Raman de ambas as amostras, a baixas potências laser, dada a intensidade de campo magnético ser insciente para este tipo de material. Além disso a baixa razão sinal-ruído comprometeu a análise quantitativa dos espetros que pudesse indicar uma tendência. No entanto, para a fase -Fe2O3 a dependência do espetro Raman com o campo magnético externo é visível e segue o comportamento reportado para outros materiais para o efeito do campo magnético na dispersão Raman, nomeadamente na intensidade e na frequência dos modos. No caso da fase hematite observou-se também uma dependência com o sentido do campo aplicado. A observação da influência do campo magnético nos modos Raman da fase -Fe2O3 das amostras serve também como prova do funcionamento do dispositivo construído, e torna visíveis algumas limitações do mesmo a serem futuramente retificadas. This thesis focused on the study of the optical and structural behavior through Raman spectroscopy of FeSex and Fe3Se4 samples, synthesized with a new chemical synthesis procedure, with di erent synthesis times for each sample, as well as creating a magnetic eld generating device to be placed in the Raman spectrometer that was used. The samples' Raman spectrum's dependency with LASER power, temperature and external magnetic elds, this last one using the device created in this thesis, was studied in normal atmosphere. Experiments under variable LASER power revealed a similar structural change in both samples, for LASER powers above 74 W. After the change, the observed Raman spectrum shows Raman modes like the ones reported for -Fe2O3 (hematite), showing that this observed structural change in the samples is LASER promoted oxidation through the increase of the temperature in the LASER spot. The thermic dependence of the Raman modes for the less crystalline FeSex sample has an anomalous behavior with the increase in temperature, which is not explained by the model for anharmonic decay through 3 and 4 phonon processes, indicating the in uence of other mechanisms such as local sample annealing. For the -Fe2O3 phase, the Raman modes behave as foretold by the anharmonic decay model. Under external magnetic elds no change in the Raman spectra for both samples, under low laser power, was observed, likely due to the low magnetic eld intensity, which is insu cient to cause major structural changes in this type of material. The low signal-noise ratio also contributed to the uncertainties in the results, hindering a quantitative analysis of the spectra obtained at low power. However, for the -Fe2O3 phase there is a visible dependence of its Raman spectrum with the external magnetic eld, following the same behavior observed for other materials under external magnetic - elds. This dependency happens for both the intensity and the direction of the magnetic eld, and is especially visible in the peak energy and height. Observing the in uence of the magnetic eld on the Raman modes of the -Fe2O3 phase also serves as a proof of concept for the magnetic eld generating device built in this thesis, uncovering some previously unknown limitations which will be corrected in future developments.

Mestrado em Engenharia Física Nesta dissertação, é apresentado um modelo numérico implementado em MATLAB, que usa a teoria dos modos acoplados, para simular e estudar o comportamento de redes de período longo em bras óticas. Esse modelo tem como objetivo otimizar uma técnica de gravação de redes de período longo por irradiação com laser de CO2, que causa uma variação de índice de refração radialmente simétrica na rede. A técnica de gravação está a ser desenvolvida no Instituto de Telecomunicações com um sistema comercial de processamento de bra, que usa um laser de CO2 como fonte de aquecimento. Com essa técnica, foi possível fabricar redes de período longo com variação do índice de refração radialmente simétrica e também reproduzi-las. Para simular as redes, foi necessário estimar o valor máximo da varia ção do índice de refração, recorrendo a um algoritmo genético, pois não foi possível medir experimentalmente esse parâmetro. O valor estimado para esse máximo foi de 22 10􀀀4. Com o modelo numérico, simulou-se redes cujos espetros de transmissão são semelhantes aos medidos experimentalmente. In this dissertation, a numerical model implemented in MATLAB is presented. The model uses the coupled modes theory, to simulate and study the behaviour of long period gratings in optical bers. This model aims to optimize an inscribing technique of long period gratings by CO2 laser irradiation, which causes a radially symmetric refractive index variation in the grating. The inscribing technique is being developed at the Instituto de Telecomunicações - Aveiro with a commercial ber processing system, which uses a CO2 laser as the heating source. With this technique it was possible to fabricate long period gratings with a radially symmetrical refractive index variation and also to reproduce them. To simulate the gratings, it was necessary to estimate the maximum value of the refractive index variation, using a genetic algorithm, since it was not possible to measure this parameter experimentally. The estimated value for this maximum was 22 10􀀀4. The simulations produced transmission spectra which are similar to those measured experimentally.

Doutoramento em Engenharia Física O processamento ótico de sinal é uma alternativa possível para melhorar o desempenho e eficiência de sistemas de comunicações óticas, mas o seu estágio atual de desenvolvimento é ainda insuficiente para aplicações em sistemas reais. De forma a inverter esta situação, novas estratégias e pos-sibilidades para processamento ótico de sinal são aqui investigadas, com ênfase em conversão de comprimento de onda, regeneração de fase e amplificação sensível à fase em dispositivos de niobato de lítio com inversão periódica dos domínios ferroelétricos e fibras fortemente não-lineares. Um novo método para o desenho do perfil de inversão dos domínios fer¬roelétricos nos dispositivos de niobato de lítio de acordo com um espetro de conversão alvo é investigado nesta tese. O método proposto é validado numericamente e através da produção de um dispositivo real com largura de banda de conversão de 400 GHz. O dispositivo produzido é utilizado para conversão de onda multicanal de oito sinais modulados em fase, com a possibilidade adicional de sintonizar o comprimento de onda dos sinais con¬vertidos. Observa-se a existência de um compromisso entre elevada largura de banda de conversão e eficiência do dispositivo. São também investigadas nesta tese conversão e permuta de comprimento de onda tolerantes ao ruído de fase adicionado por fontes de bombeamento. Demonstra-se neste trabalho que a utilização de fontes de bombeamento coerentes permite evitar a adição de ruído de fase aos sinais convertidos. Nesta tese é também analisada analítica e numericamente amplificação sensível a fase baseada em dispositivos de niobato de lítio com inversão periódica dos domínios ferroelétricos para configurações de amplificadores de um, dois ou quatro modos. É ainda avaliada a possibilidade de ge¬rar ondas correlacionadas e de realizar amplificação sensível a fase num único dispositivo com propagação bidirecional. Com base neste esquema, demonstra-se regeneração de fase de sinais modulados em fase, porém com ganho limitado devido à baixa eficiência de conversão dos dispositivos e com desempenho afetado por instabilidades térmicas e foto refrativas. Mo¬tivado por estas limitações, demonstra-se amplificação de elevado ganho num amplificador sensível à fase de quatro modos, construído com uma fibra fortemente não-linear em vez de um dispositivo de niobato de lítio. Por fim, é efetuada uma análise numérica do impacto de utilizar amplifica¬dores sensíveis à fase em vez de amplificadores de fibra dopada com érbio no alcance em transmissão ponto a ponto de sinais e na amplificação e regeneração em redes óticas. Demonstra-se que amplificadores sensíveis à fase são mais vantajosos para formatos de modulação avançados e siste¬mas compostos por ligações óticas longas. As simulações assumem mode¬los simplificados para o ganho e ruído dos amplificadores, bem como uma versão modificada do modelo de ruído Gaussiano para estimar a potência das distorções não-lineares em sistemas com compensação total da dispersão cromática no final de cada segmento de fibra entre amplificadores. All-optical signal processing techniques are a possible way to improve the performance and efficiency of optical communication systems, but the cur¬rent stage of development of such techniques is still unsatisfactory for real- world implementation. In order to invert this situation, new strategies and possibilities for all-optical signal processing are investigated here, with a particular focus on wavelength conversion, phase regeneration and phase- sensitive amplification in periodically poled lithium niobate waveguides and highly nonlinear fibers. A new and flexible method to design the poling pattern of periodically poled lithium niobate devices according to a target conversion spectrum is inves¬tigated in this work. The proposed method is validated through numerical simulations and by producing a real device with broad conversion bandwidth of 400 GHz. The device is then used for multichannel wavelength conversion of eight phase-modulated signals, with the additional possibility to tune the wavelength of the converted signals. A trade-off between high conversion bandwidth and conversion efficiency is observed. Advanced wavelength conversion and wavelength exchange tolerant to the phase noise added by the pump lasers are also investigated. It is shown that the additional phase noise transferred to the converted signals is eliminated by using coherent pumps, generated from the same light source. Phase-sensitive amplification based on periodically poled lithium niobate devices is also investigated in this thesis by numerically comparing the gain properties for one-, two- and four-mode configurations. The possibility to si¬multaneously generate correlated waves and observe phase-sensitive amplifi¬cation in a single device with bidirectional propagation is also demonstrated. Using such scheme,"black-box" phase regeneration of phase-encoded sig¬nals is experimentally demonstrated, albeit with limited net gain due to the low conversion efficiency of the device, and the limited reliability due to thermal and photorefractive instabilities. Motivated by such limitations, high-gain amplification in a four-mode phase-sensitive amplifier built with a highly nonlinear fiber instead of a periodically poled lithium niobate is demonstrated. Finally, the impact of using phase-sensitive amplifiers instead of common erbium-doped fiber amplifiers on the reach in point-to-point transmission and on the amplification and regeneration requirements in optical transport networks is numerically investigated. The calculations show that phase- sensitive amplifiers are particularly advantageous when considering high- order modulation formats and for transport networks comprised by long links. The numerical simulations are performed using simplified models for the gain and noise properties of the amplifiers, and a modified enhanced Gaussian noise model to estimate the power of the nonlinear distortions in systems with full dispersion compensation at the end of each span of fiber.

Doutoramento em Engenharia Física Células solares baseadas em Kesterites, Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe), estão a ser investigadas como um alternativa de mais baixo custo às células solares de elevada eficiência baseadas em CIGS. Em compostos de kesterite, elementos abundandes na natureza como Zn and Sn são usados em vez de elementos raros como In e Ga na calcopirite CIGS. Mesmo tendo propriedades optoelectrónicas promissoras, como elevada absorcão e bandgap próximo do ideal, o desempenho das células solares de kesterites ainda fica aquém do requerido para a sua exploração em larga escala. Nesta tese, são apresentadas três abordagens seguidas para melhorar o desempenho das células solares de CZTSe: modificacão de (1) camada absorvente de CZTSe, (2) da interface Mo/CZTSe e (3) da junção CZTSe/CdS. O fabrico da camada absorvente de CZTSe é conseguido por meio de um processo em 2-passos, onde se inclui a evaporacão por feixe de electrões (e-beam) das camadas Sn/Zn/Cu precursoras seguida de um tratamento térmico rápido usando o gás de H2Se (passo de selenização). São apresentados resultados do estudo de optimização da espessura, da ordem das camadas percursoras, e do caudal de H2Se. O efeito da espessura das camadas percusoras nas propriedades químicas e morfológicas do filme de CZTSe foi estudado. As propriedades optoelectrónicas foram investigadas por meio de medições da fotoluminescência resolvidas no tempo (TR-PL), curvas currente-tensão (J-V) e capacidade-tensão (C-V). A interface posterior de Mo/CZTSe foi alterado através da introdução por meios químicos de uma película de MoO3 na interface. A medição das curvas de currente-tensão das células solares com e sem MoO3 foram efectuadas a diferentes temperaturas. O efeito da modificação da interface posterior nas propriedades optoelectrónicas de dois tipos de células com diferentes espessuras da camada absorvente foi estudado. A junção CZTSe/CdS foi modificada pela introdução de uma camada ultra-fina de TiO2. O efeito desta alteração nas propriedades optoelectrónicas da célula photovoltaica foi estudado. Uma compreensão mais profunda da junção CZTSe/TiO2/CdS foi alcançada por meio da realização de microscopia electrónica de transmissão e da análise do perfil de composição química.. Neste estudo foi possivel obter uma eficiência maxima de 7.8% para células solares com a estrutura: SLG/Mo/CZTSe/CdS/i-ZnO/AZO. Finalmente são apresentadas algumas sugestões para desenvolvimentos futuros, visto ser necessário mais optimização das condições de deposição dos precursores e da sua selenização para melhorar ainda mais a qualidade da camada absorvente e desempenho das células solares. Kesterite Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) solar cells are being investigated as a cost effective alternative for high efficiency CIGS solar cells. In kesterite, earth abundant Zn and Sn elements replace rare In and Ga in chalcopyrite CIGS. Despite promising optoelectronic properties of kesterite like high absorption coefficient and near to ideal band gap, the performance of kesterite solar cells is still lower than the required for large scale exploitation. This thesis includes 3 main approaches to improve the performance of CZTSe solar cells: modification of (1) CZTSe absorber layer (2) Mo/CZTSe interface and (3) CZTSe/CdS junction. We fabricated CZTSe absorber layer by a two-step approach including e-beam evaporation of Sn/Zn/Cu stacked precursors followed by an annealing step using H2Se gas (selenization step) in a rapid thermal processing system. Several parameters of the fabrication process were studied and suitable conditions of precursor thickness, precursor order, and H2Se flow rate were presented. The effect of thickness of precursors on chemical and morphological properties of CZTSe films was studied. The optoelectronic properties of the solar cells were investigated using time-resolved photoluminescence (TR-PL), PL, current density-voltage (J-V) and capacitance-voltage measurements. Mo/CZTSe rear interface was modified by introducing a solution processed MoO3 interfacial layer. Current-voltage curves of solar cells with and without MoO3 layer were measured at different temperatures. The effect of the modification of rear surface on optoelectronic properties of two types of solar cells with thin and thick absorber layers was studied. CZTSe/CdS junction was modified by introducing an ultra-thin TiO2 layer. The effect of this modification on optoelectronic properties of solar cells was studied. Transmission electron microscopy and compositional profile analysis were performed to gain a deeper understanding of the CZTSe/TiO2/CdS junction. The best efficiency of a SLG/Mo/CZTSe/CdS/i-ZnO/AZO solar cell in this study was 7.8 %. Some suggestions for future work are presented. It is suggested that further optimization of the precursors and selenization conditions are required to improve the quality of absorber layer and the performance of solar cells.

Mestrado em Engenharia Física Os nitretos do grupo-III dopados com iões de terras raras (TR) apresentam propriedades luminescentes promissoras para aplicações na área da optoelectrónica, nomeadamente em dispositivos emissores de luz. O ião európio, no estado de carga trivalente, é conhecido pelas transições eletrónicas intra-4f 6 na região espetral do laranja/vermelho. Este surge como potencial candidato para as diversas aplicações nesta zona do espetro visível. Nesta dissertação são estudadas as propriedades óticas de nanofios de AlN implantadas com iões Eu3+. Os nanofios foram crescidos por epitaxia de feixe molecular (MBE). A dopagem foi realizada por implantação iónica, sendo feito um tratamento térmico posterior para permitir a ativação ótica dos iões e para remover danos estruturais provocados pelo processo balístico. De forma a avaliar a influência da temperatura do tratamento térmico, este foi realizado a diferentes temperaturas (1000 °C e 1200 °C). O estudo de camadas de AlN implantados e tratados termicamente, nas mesmas condições dos nanofios, é também, realizado para comparação. A ativação ótica dos iões Eu3+ foi conseguida após a implantação e o tratamento térmico, independentemente da temperatura e da estrutura (nanofios e camadas). A transição D0 → F2 7 5 é a mais intensa em todas as amostras. Foram identificados múltiplos centros óticos de Eu3+ nos nanofios de AlN cuja dominância depende da temperatura de tratamento térmico. Na gama espetral analisada, os centros dominantes exibem mecanismos de excitação idênticos abaixo do hiato do AlN. A análise da dependência da intensidade da luminescência intra-4f 6 em função da temperatura (14 K até à temperatura ambiente) evidenciou diferentes comportamentos para o caso dos nanofios. No caso da amostra recozida a temperatura mais baixa ocorre uma diminuição gradual da intensidade de emissão sendo que à temperatura ambiente se observa 50% da intensidade medida a 14 K. Para a amostra tratada termicamente a 1200 °C observa-se uma extinção da intensidade da luminescência a baixas temperaturas (até 120 K), aumentando para temperaturas mais altas como resultado de um povoamento térmico. Para este caso, a intensidade da emissão registada à temperatura ambiente é cerca de 80% do valor registado a 14 K. Complementarmente, o estudo das propriedades estruturais dos nanofios revela a existência de diferentes estados de tensão provocados pela implantação iónica e pelo tratamento térmico posterior. Embora preliminar, o trabalho realizado apresenta-se promissor para potenciar o desenvolvimento de nanoemissores no vermelho baseados nestas estruturas Group-III nitrides doped with rare-earth (RE) ions present promising luminescent properties for optoelectronic applications, for example in light emitting devices. In the trivalent charge state, europium is known to have its well-defined intra-4f 6 emissions in the orange/red spectral regions. Therefore, it is considered as a potential candidate for optoelectronic devices operating in this region of the visible spectrum. This thesis is focused on the study of AlN nanowires implanted with Eu3+ ions, more specifically on their optical properties. The AlN nanowires were grown by molecular beam epitaxy (MBE). The doping of the Eu3+ ions in AlN was achieved by ion implantation. The as-implanted AlN nanowires were further submitted to thermal annealing (at two different temperatures, 1000 °C and 1200 °C) in order to achieve Eu3+ optical activation and to remove structural damages induced by ion implantation. AlN layers, implanted and thermally treated under the same conditions as the AlN nanowires, were also studied for comparison. It was found that optical activation was achieved after implantation and thermal annealing (regardless of treatment temperature) for nanowires and layers. In addition, the most intense transition related with Eu3+ ion in all the samples is found to be D0 → F2 7 5 . Several Eu3+ centres were identified in the nanowires, which dominance depends on the treatment temperature. In the analysed spectral range, the dominant Eu3+ optical centres exhibit the same excitation mechanisms. The temperature dependence (from 14 K to room temperature) analysis of the intra-4f 6 luminescence intensity has evidenced different behaviours for the nanowires. In the case of the sample annealed at the lowest temperature (1000 °C), a decrease of the emission intensity is seen, for which 50% of the average intensity at 14 K is still observed at room temperature. For the sample annealed at 1200 °C, the emission intensity vanishes for low temperatures up to 120 K, then increasing at higher temperatures as a result of thermal population. For this case, the emission intensity recorded at room temperature is about 80% of the average intensity at 14 K. Furthermore, the study of the structural properties of nanowires reveals the existence of different strain states upon ion implantation and post-implantation thermal annealing. Although the work presented in this thesis is preliminary, the obtained results are very promising for potential development of red nano-emitters based on such structures.

Mestrado em Engenharia Física Este trabalho consistiu no estudo da performance de um detetor gasoso microestruturado (MPGD) desenvolvido para fins de imagiologia de raios X, nomeadamente para imagiologia de contagem de fotão único. O detetor utilizado baseia-se numa microestrutura Thick-COBRA 2D (2D-THCOBRA), com área ativa de 2; 8 2; 8 cm2. Esta microestrutura permite dois estágios independentes de multiplicação de carga, que resultam num ganho elevado e adequado a aplicações de imagiologia. O detetor utilizado opera em modo selado numa atmosfera de Kr puro a 1 bar. Desenvolveu-se um sistema fechado de purificação de gás baseado em getters com o objetivo de reciclar o gás, evitando os custos associados a um sistema de fluxo contínuo de gases dispendiosos e com o intuito de manter a performance do detetor constante. O propósito deste trabalho era estudar a influência do sistema de purificação de gás no desempenho do detetor. Para tal, este foi testado em termos de ganho em carga, resolução em energia e estabilidade temporal do ganho. Também se adquiriram imagens de transmissão de raios X de algumas amostras com o objetivo de expor as potencialidades deste detetor para imagiologia de raios X. Efetuou-se uma monitorização contínua do ganho ao longo de 41 dias e pôde-se observar que o detetor apresentava uma operação estável, com variações de ganho de apenas 6; 5%. Esta monitorização permitiu também observar a eficiência do sistema de purificação baseado em getters. Obteve-se um ganho máximo de 2; 5 103 para 5; 9 keV e uma resolução em energia de 11;6% para 22 keV em Kr. This work consisted of the study of the performance of a MicroPattern Gaseous Detector (MPGD) developed for x-ray imaging, namely for single photon counting imaging. The detector was based on a 2D Thick-COBRA microstructure (2D-THCOBRA), with an active area of 2; 8 2; 8 cm2. This microstructure allows for two independent charge multiplication stages that result in high gains that are suitable for imaging applications. The detector operates in sealed mode, in an atmosphere of pure Kr at 1 bar. A closed gas puri cation system based on getters was developed with the purpose of recycling the gas, avoiding the costs associated with a continuous ow of expensive gases and with the aim of keeping a stable detector performance. The purpose of this work was to study the in uence of the gas puri cation system on the performance of the detector. Thus the detector was evaluated in terms of charge gain, energy resolution and gain stability over time. Some X-ray transmition images were also aquired with the aim of showing the detector's capabilities for X-ray imaging. A continuous monitorization was held over a period of 41 days and a stable detector operation was observed, with gain uctuations of just 6:5%. Through this monitorization the e ciency of the puri cation system based on getters was also observed. A charge gain of 2; 5 103 was obtained for 5; 9 keV and an energy resolution of 11; 6% was obtained for 22 keV in Kr.

Mestrado em Engenharia Física Submitted by Manuel Jesus (albertojesus@ua.pt) on 2018-06-05T10:53:59Z No. of bitstreams: 1 Filipe Mesquita Alves.pdf: 8706037 bytes, checksum: 83bd322754fa6b82539b8fe11d702eeb (MD5) Made available in DSpace on 2018-06-05T10:54:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Filipe Mesquita Alves.pdf: 8706037 bytes, checksum: 83bd322754fa6b82539b8fe11d702eeb (MD5) Previous issue date: 2017

Mestrado em Engenharia Física O presente trabalho teve como objetivo aplicar a tecnologia laser para desenvolver um método alternativo para limpeza da superfície dos moldes de matriz polimérica utilizados no processo de construção de pás eólicas na empresa Ria Blades SA. Tradicionalmente a empresa utiliza um processo de limpeza baseado na remoção e polimento manual dos resíduos. Este método além de moroso e dispendioso em termos de recursos humanos é muito agressivo e compromete a reutilização dos moldes. O método aqui proposto é baseado na tecnologia laser, tendo-se usado para o efeito um laser de Nd:YAG com comprimento de onda de 1064 nm em modo pulsado, acoplado a uma cabeça galvanométrica de forma a permitir um varrimento em linha do feixe laser, sendo o movimento do molde controlado por uma mesa linear motorizada. A primeira fase do trabalho consistiu no estudo da interação laser/molde, tendo sido explorados vários parâmetros de forma a garantir a preservação da superfície do molde, nomeadamente: a intensidade da corrente do laser, a velocidade de varrimento do feixe, a distância focal, a frequência do feixe, o comprimento de varrimento do feixe laser e a velocidade de deslocamento da amostra. Numa segunda fase foi estudada a interação laser/resina/molde com o objetivo de remover a resina preservando a superfície do molde. A caracterização das superfícies foi realizada por várias técnicas, designadamente perfilometria ótica, ângulo de contacto, espetroscopia de Raman, absorção, microscopia eletrónica de varrimento com espectroscopia de dispersão de energia (SEM-EDS). O estudo realizado através da análise elementar EDS e por espectroscopia de Raman permitiu verificar que não existe diferença antes e depois da interação da radiação laser com o substrato, sendo a rugosidade após a remoção da resina epoxy da mesma ordem de grandeza da superfície antes da interação com laser (Sa=0,34 m). A otimização deste estudo permitiu definir um conjunto de parâmetros adequados à limpeza deste tipo de resíduos: comprimento de varrimento do feixe laser de 1 cm; intensidade de corrente de 16A, velocidade de varrimento do feixe de 1000 mm/s, distância focal de 11,5 cm, frequência do feixe laser de 6 kHz e uma velocidade de deslocamento da amostra igual a 5 mm/s. É de salientar que este conjunto de parâmetros permite a remoção da resina por destacamento, isto é, sem promover a sua decomposição, o que é uma grande vantagem pois deste modo evita-se a formação de subprodutos tóxicos. . The main objective of this work was to apply the laser technology to develop an alternative method to clean the surface of polymeric matrix moulds, used in the building process of wind blade in the Ria Blades SA company. Traditionally, the company use the manual polishing process to remove the materials (waste). This method takes a long time, it is expensive in terms of human resources, is very aggressive and compromises the reuse of moulds. The method proposed is based on laser technology, using a Nd:YAG pulsed laser with a wavelength of 1064 nm coupled to a scan head in a line scan. The movement of the mould is controlled by motorized linear table. The first phase of the work consisted in the study of the laser/mould interaction. Different parameters were explored namely: current intensity of laser, scan speed of pulse laser, focal distance, frequency, laser beam scan distance and speed of mould movement. In a second phase was studied the laser/resin/mould interaction to remove the epoxy resin preserving the surface of the mould. The surfaces were characterized by several techniques such as: optical profilometry, contact angle, Raman spectroscopy, absorption, scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS). EDS and Raman spectroscopies allowed to verify no changes after the laser radiation on the substrate. The roughness of mould surface after remove the epoxy resin is the same order of magnitude as before laser interaction (Sa=0,34 m). The study optimization allowed to define optimal parameters to clean this type of waste: 1 cm of laser beam scan distance; 16 A of electrical current intensity, 1000 mm/s scanning speed of beam, 11.5 cm of focal distance, 6 kHz frequency and a sample speed of 5 mm/s. It should be emphasised that these parameters allow to remove epoxy resin without promoting its decomposition, this is a great advantage because it prevents the formation of toxic sub products.

Dissertação de Mestrado em Engenharia Física apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. As alterações nas vias metabólicas são um importante indicador de alterações no estado fisiológico, patológico e de diferenciação da célula ou tecido. Para além disso, a imagiologia de fluorescência das coenzimas NADH e FAD, quer se tratem de medidas de intensidade ou de tempo de vida, é uma ferramenta extremamente útil para sondar o metabolismo celular e tem sido testada clinicamente na determinação de tecidos suspeitos durante operações cirúrgicas e na detecção precoce de doenças como o cancro. Usa-se a Teoria dos Funcionais da Densidade Dependente do Tempo para construir um método que, apenas recorrendo à informação contida nos espectros de absorção, permita verificar se se pode concluir acerca das concentrações relativas da fracção ligada e não ligada das coenzimas, um importante indicador bioquímico, a partir da análise dos seus tempos de vida de fluorescência.

Este trabalho apresenta a discussão e o desenvolvimento de sensores inteligentes para implementação numa rede de sensores para monitorização do estado de funcionamento de componentes num PT. São discutidas noções sobre sistemas distribuídos, incluindo mecanismos de comunicação para a integração, assim como propostas para um tratamento de dados que leve a uma melhor gestão de activos. São, também, apresentados dois sensores inteligentes: (i) Detector e localizador de descargas parciais, com recurso a dois ou três microfones ultrasónicos e (ii) um multisensor para medição de temperatura e pressão do óleo no interior de um transformador. Em particular, a fonte de energia para este ultimo é um sistema de Energy Harvesting baseado no aproveitamento do diferencial térmico entre a cuba do transformador e o ar, com recurso a uma termopilha.

A Tomografia por Coerência Ótica (OCT) é uma técnica de imagiologia não invasiva capaz de adquirir imagens de secção e volumes de amostras não homogéneas, como a retina, a velocidades e resoluções elevadas. É utilizada maioritariamente em oftalmologia, sendo considerada uma poderosíssima ferramenta para o diagnóstico precoce de patologias oculares. Em investigação científica, esta técnica tem servido de base para o desenvolvimento de novos métodos de diagnóstico e para o estudo de novos tratamentos em humanos e em modelos animais de doença. Com este mesmo objetivo, está a ser desenvolvido no IBILI (Instituto de Imagem Biomédica e Ciências da Vida, Faculdade de Medicina – Universidade de Coimbra) um sistema OCT com vista à imagiologia das estruturas da retina do rato. O sistema baseia-se numa fonte de varrimento com 1060 nm de comprimento de onda central e 110 nm de largura de banda, um detetor balanceado e uma placa de aquisição. O objetivo principal deste trabalho é a obtenção das condições de desempenho necessárias para aquisição de medidas de fase fiáveis. O segundo objetivo centra-se no desenvolvimento de uma solução ótica capaz de obter imagens das estruturas do olho de rato. Finalmente, o terceiro objetivo deste trabalho é o estudo dos parâmetros de desempenho do sistema OCT no seu estado de desenvolvimento atual. O primeiro objetivo foi atingido com a ajuda de um algoritmo de estabilização de fase por métodos numéricos. O desenvolvimento de um sistema ótico destinado à imagiologia da retina de rato com qualidade foi atingido utilizando o Zemax OpticStudio. Os resultados obtidos referentes ao terceiro objetivo permitem concluir que os parâmetros de desempenho do sistema obedecem aos standards desejados para a imagiologia OCT de retina.

O estudo que se segue teve como objetivo analisar, com rigor científico, os processos físicos na base das técnicas laboratoriais de identificação elementar e molecular de fluorescência de raios-X, espectroscopia Micro-Raman, difração de raios-X e microscopia electrónica de varrimento. Com esse objetivo, o foco deste trabalho situou-se no ramo da arte pictórica, mais concretamente, nos pigmentos, fontes de cor, utilizados por diferentes autores e técnicas, através dos tempos. Assim sendo, o estudo dos pigmentos a que o artista recorreu, pela rigorosa análise da sua composição elementar e/ou molecular, constitui uma imensurável mais valia para vindouros trabalhos de restauro, conservação e/ou estudo. Assim, analisou-se o comportamento de uma vasta gama de pigmentos expostos a diferentes temperaturas, que, observando sempre o maior rigor científico, permitiram estabelecer uma competente análise comparativa e, consequentemente, alcançar esclarecedoras respostas. A degradação dos pigmentos é uma razão conhecida para as nefastas alterações de cores a que a maior parte das obras de arte estão sujeitas. A sua origem reside em factores ambientais bem conhecidos: humidade, temperatura, reação química com outros compostos, interação com luz no espetro ultravioleta, entre outras. Posteriormente, com o objetivo de explorar mais aprofundadamente as capacidades das técnicas referidas analisaram-se os pigmentos usados em camadas de pintura azul de cinco obras de arte, no âmbito do património cultural português e com particular interesse no acervo histórico da cidade de Coimbra. São obras executadas entre o século XIV e o século XVIII. Os resultados foram conclusivos e revelaram que quanto ao estudo da degradação de pigmentos por ação térmica, a maioria dos pigmentos revelou não sofrer transformações face a temperaturas inferiores a 200:C. Contudo, identificaram-se cinco excepções: o branco de chumbo, o gesso, verdigris, a azurite e a malaquite. Nestes pigmentos, e quando sujeitos a essas temperaturas, as alterações observadas devem-se, principalmente, a reações de desidratação, a perdas de moléculas de dióxido de carbono e perda de cristalinidade do pigmento. As camadas de pintura azul das obras de arte escolhidas foram, na sua grande maioria, atribuídas ao uso dos pigmentos de azurite e azul ultramarino. Palavras-chave: XRD; XRF; SEM; Micro-Raman; Pigmentos; Degradação com temperatura

Neste documento, é apresentado um ano letivo de trabalho dedicado ao desenvolvimento de um produto de supervisão centralizada e remota de cadeias de frio, o Qold. Usando uma rede de dispositivos monitorizam-se câmaras de frio e em combinação com uma aplicação Web e mobile simples e intuitiva, os dados podem ser consultados em tempo-real e situações indesejadas reportadas evitando possíveis danos. O Qold, apesar de validado, precisava de ser melhorado. Foi da minha responsabilidade desenvolver esta próxima iteração relativa à aquisição de dados.

A observação de partículas ambientais que se possam confundir com resíduos de disparo (GSR) tem vindo a ser descrita na literatura, revelando-se um problema a nível de investigação forense. Estes estudos têm como objetivo encontrar critérios para distinguir partículas características de resíduos de disparos de partículas ambientais e, desta forma, manter a robustez deste tipo de vestígio. De forma a definir melhor a origem destas partículas, nomeadamente as oriundas de resíduos de pastilhas de travão de automóvel realizou-se o presente estudo, no qual se pretendem discriminar diferenças ou semelhanças entre partículas ambientais e de GSR. No desenvolvimento do projeto utilizaram-se diversas técnicas, como fluorescência de raios-X (XRF), difração de raios-X (XRD) e microscopia eletrónica de varrimento associada a espetroscopia dispersiva de raios-X (SEM/EDS), esta última utilizada não só para análise da composição química mas também da morfologia das partículas em questão. Foram analisados exemplares de várias marcas de pastilhas de travão e os resultados obtidos demonstram que algumas marcas contêm Chumbo, Bário e Antimónio, detetados em XRF, no entanto em SEM não foram detetadas partículas com os 3 elementos ou sequer partículas com morfologia semelhante às de GSR. Analisaram-se ainda amostras recolhidas em mãos de mecânicos que manusearam pastilhas de travão de automóvel, das quais se encontraram partículas consistentes com GSR. Foram ainda realizados outros estudos de forma a melhor compreender as limitações dos instrumentos. Como complemento ao projeto realizaram-se ainda testes com amostras sintetizadas sujeitas a fricção e aquecimento com o intuito de compreender o mecanismo de formação de partículas de resíduos de pastilhas de travão. Palavras-Chave : GSR, pastilhas de travão, fluorescência, difração, espetroscopia dispersiva, XRF, XRD, SEM/EDS.

Dissertação de Mestrado em Engenharia Física apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Serve o presente estudo para testar uma metodologia para análise de ligas metálicas, em particular ligas de ouro, utilizando as técnicas de fluorescência de raios-X e microscopia electrónica de varrimento. No contexto do presente estudo, foi identificada a composição das folhas de ouro utilizadas em obras de arte. As técnicas laboratoriais utilizadas foram: Microscopia óptica; Espectroscopia de fluorescência de raios-X com dispersão de energia (EDXRF); Microscopia electrónica de varrimento SEM-EDS. Muitas obras de arte mostram, na sua policromia, camadas de dourado em maior ou menor extensão. A composição destas pode ser uma liga de folha de ouro ou outro tipo de material com aparência dourada, dependendo da época e da escolha do autor. A análise destes materiais determina a história da obra em si e da sua evolução ao longo do tempo, enquanto sujeita a várias etapas de restauro e alteração. Este estudo é focado em esculturas e pinturas (em pedra e madeira) que possuem uma ou mais camadas pictóricas com aparência dourada. As obras escolhidas representam os principais artistas portugueses entre os séculos XIV e XVIII. Tentou-se clarificar as diferenças e semelhanças entre as pinturas das várias obras estudadas, incluindo a possibilidade de estas terem sido feitas numa altura posterior à da criação da obra em si. Alguns dos casos de estudo mostraram a existência de diferentes composições das ligas de ouro, sendo a sua composição de Au, Ag e Cu a mais comum. As diferentes percentagens relativas de cada elemento foram comparadas para cada uma das obras, com o intuito de inferir a evolução no uso das ligas ao longo dos séculos. Palavras-chave: XRF, SEM-EDS, ligas de ouro, obras de arte

Dissertação de Mestrado em Engenharia Física apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Quaternary Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) is a promising semiconductor material for absorber layer in thin lm solar cells due to direct band gap around 1eV and high absorption coe cient (> 104cm1) (7). The highest conversion e - ciency of CZTSe solar cells is above 11% (8). Nevertheless, a low open circuit voltage with respect to the band gap is a common phenomenon in CZTSe photovoltaic devices. A plausible reason for this is a reduction in the e ective band gap due to inhomogeneities in structure, phase, or composition. To gain a detailed knowledge of the in uence of phase inhomogeneities on the performance of solar cells, the understanding of detection limits of conventionally used characterization methods is essential. The aim of this work is to study the sensitivity limits of X-ray di raction and Raman spectroscopy to the presence of two very common secondary phases for Cu2ZnSnSe4{ZnSe and Cu2SnSe3. Polycrystalline powder of two CZTSe samples (slightly Zn-rich) and one Cu2SnSe3 sample have been grown using the solid state reaction method in evacuated silica tubes. Additionally, an industrially produced powder of ZnSe has been used to produce a number of mixtures of corresponding CZTSe with 1%, 2%, 3%, 5%, 10% and 20% of ZnSe or Cu2SnSe3 respectively. The structural characterization of the starting materials as well as of mixtures was carried out by powder X-ray di raction (PXRD) and subsequent Rietveld analysis of the di raction data using the FullProf suite (11). Rietveld re nement of di raction data of the mixtures was performed, paying a special attention to the in uence of amounts of ZnSe and Cu2SnSe3 on the di raction patterns of the mixtures. The amounts of secondary phases determined by Rietveld re nement have been compared with the initial data, determining in this way the detection limits of PXRD for these secondary phases. To study the crystal structure of the synthesized mixtures at the micrometer scale Raman spectroscopy has been employed. In these measurements a 632:8nm laser line was employed and it was found to be e cient for both ZnSe and Cu2SnSe3 phase detection. By performing Raman line scan measurements we evaluated characteristic Raman mode intensities corresponding to the di erent phases and thus are able to estimate the mixture composition.

Dissertação de Mestrado em Engenharia Física, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. A verificação de ocorrência de descargas em detetores gasosos que operam a altas pressões está devidamente documentada nos mais variados laboratórios de estudo de radiação, verificando-se ainda que, para as condições de ocorrências das referidas descargas existe uma correlação entre o campo elétrico máximo aplicável no interior do detetor e a pressão a que se encontra o gás, não havendo até ao momento qualquer explicação para o facto. Assim, no presente trabalho, para além de um estudo detalhado desta dependência, procurou-se uma explicação para a origem das descargas concretamente se elas se devem exclusivamente à pressão de operação do detetor, ou também à complexidade dos detetores gasosos. Para isso, este trabalho consistiu no projeto, montagem e utilização de um dispositivo que fosse o mais parecido possível com um detetor gasoso, mas que ao contrário destes, o seu interior fosse o mais simples possível. Os resultados obtidos sugerem uma relação entre a origem das descargas e a complexidade do interior dos detetores gasosos a alta pressão. Ainda assim, o que mais influencia a ocorrência de descargas é a pressão do gás, existindo uma clara redução do campo elétrico reduzido aplicável com o aumento da pressão no dispositivo. Para além disso, verificou-se ainda uma dependência com o tipo de mistura gasosa utilizada na experiência e o ripple da fonte de tensão utilizada.

Dissertação de Mestrado em Engenharia Física, apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Detetores gasosos de radiação, em especial a alta pressão, têm vindo a assumir um papel cada vez mais importante na investigação atual. Para aperfeiçoar esses detetores, estudos complementares têm vindo a ser realizados, sendo o estudo das propriedades dos meios gasosos de detecção um dos mais relevantes. Assim, com o objetivo de contribuir para o aperfeiçoamento dos detetores gasosos de radiação, foi proposto o desenvolvimento de um sistema experimental que permitisse determinar velocidades de deriva de eletrões em gases (puros e misturas) a altas pressões. Com esse objetivo em mente, procedeu-se à familiarização dos conceitos físicos envolvidos neste tipo de detetores para que fosse possível passar ao projeto do sistema experimental. Por fim, projetou-se e montou-se um dispositivo baseado nos objetivos pretendidos e realizaram-se testes, em Xénon, para comprovar o bom funcionamento do mesmo. Assim, nesta dissertação, é descrito o percurso seguido para o desenvolvimento de um sistema experimental funcional, que permitisse determinar velocidades de deriva de eletrões em gases a altas pressões.

Mestrado em Engenharia Física Os objetivos principais deste trabalho são a produção de nanoestruturas híbridas de carbono compostas por grafeno e agregados de diamante nanocristalino, bem como a sua caracterização estrutural, morfológica e como cátodos frios. Estas estruturas híbridas poderão ter um interesse tecnológico muito elevado uma vez que reúnem no mesmo material estruturas de carbono com propriedades físicas muito distintas. Entre as várias aplicações possíveis destes híbridos destaca-se a sua utilização na fabricação de dispositivos baseados na emissão de eletrões por efeito de campo (Field Emission Devices - FEDs). Para cumprir os objetivos do trabalho fez-se a síntese simultânea do grafeno com agregados de diamante nanocristalino (NCD) utilizando a técnica de deposição química em fase de vapor ativada por micro-ondas (MPCVD) e explorou-se o método de fluxo pulsado para controlar a quantidade de metano e desta forma a densidade e tamanho dos agregados. Os substratos utilizados são de Cu policristalino sobre os quais se cresceu um filme fino de grafeno com agregados de NCD. As estruturas desenvolvidas foram caracterizadas recorrendo à microscopia eletrónica de varrimento e à espetroscopia de Raman. Foi ainda avaliada a densidade de corrente em função do campo elétrico da emissão eletrónica por efeito de campo de todas as amostras sintetizadas. Os resultados obtidos demonstraram que é possível crescer em simultâeo os dois tipos de alótropos de carbono (agregados de NCD e grafeno) e que é possível controlar o diâmetro e a densidade de agregados de NCD. Em particular, detetou-se experimentalmente o aumento da densidade e diâmetro de agregados em função de número de ciclos, o aumento da densidade de agregados e diminuição do seu diâmetro tanto em função do tempo de CH4 (tempo do On) como do valor do seu fluxo. O estudo da emissão por efeito de campo mostrou uma correlação entre a densidade de agregados e a densidade de corrente elétrica, tendo-se atingido valores da ordem dos 10-5 A/cm2. É de notar que se detetou uma diminuição no campo elétrico de ativação e um aumento na densidade máxima de corrente com o nº de ciclos e com o tempo de CH4 introduzido na síntese. Por outro lado, observou-se um aumento do fator de amplificação de campo em função do nº de ciclos e a sua diminuição em função de tempo de CH4. O estudo efetuado neste trabalho revelou que este híbrido tem um bom potencial para ser usado como cátodo frio, nomeadamente no que concerne à corrente máxima de emissão. Contudo, o desenvolvimento de um dispositivo com base neste material requer ainda um processo de otimização. The main objectives of this work are the production of a hybrid carbon nanostructure composed by graphene and monocrystalline diamond clusters along with their structural and morphological characterization and as a cold cathode. This hybrid structure may have a very large technological interest since it congregates on the same material phases with very different physical properties. Among the many possible applications for this hybrid the manufacture of Field Emission Devices (FEDs) stands out. To fulfill the work objectives, the simultaneous synthesis of graphene with nanocrystalline diamond clusters (NCD) was done using the chemical vapor deposition technique activated by microwave plasma CVD (MPCVD) and the pulsed flow method was explored for controlling methane delivery. The used substrates were polycrystalline Cu on which it was deposited a thin film of graphene with NCD clusters. The developed structures were characterized using scanning electron microscopy (SEM) and Raman spectroscopy. The field emission current density was measured as a function of the electric field for all synthetized samples. The results demonstrated that it is possible to grow simultaneously the two types of carbon allotropes (NCD clusters and graphene) and to control the diameter and density of NCD. In particular, it was experimentally detected an increase of both clusters’ density and diameter with the number of cycles. Alongside, an increase of clusters´ density and a decrease of clusters´ diameter were observed with CH4 duty cycle and total flow. The study of field emission puts in evidence a correlation between the clusters density and the emission current, attaining densities in the order of 10-5 A/cm2. It is noteworthy a decrease of the activation current electric field and an increase of the current´s density maximum value with the number of cycles and CH4 duty cycle. On the other hand, the field enhancement factor was observed to increase with the number of cycles and to decrease with the methane duty cycle. The study undertaken in this work revealed that this hybrid has a high potential to be used as cold cathode, namely in what concerns the maximum emission current. However, a full development of a device based on this hybrid material still requires a process optimization.