Baterias de lítio-enxofre (Li-S) têm apresentado resultados promissores, como alta capacidade de carga e densidade de energia. Por outro lado, o fenômeno conhecido como efeito shuttle é uma de suas maiores desvantagens, que gera uma perda progressiva e irreversível de material ativo (enxofre), reduzindo significativamente o número de ciclos das mesmas. No entanto, para inibir o efeito shuttle e estender a vida útil das baterias de Li-S, diversos materiais carbonáceos têm sido estudados como hospedeiros para o enxofre, inibindo sua expansão volumétrica e adsorvendo polissulfetos de lítio intermediários dissolvidos no eletrólito. Recentemente, o uso de materiais cerâmicos derivados de precursores poliméricos como hospedeiros de enxofre em cátodos de baterias de Li-S tem demonstrado uma boa adsorção de polissulfetos de lítio, proporcionando uma vida útil mais longa para essas baterias, incluindo-se um recente trabalho do autor desta proposta. Logo, para estudar a aplicação de novos materiais para essa finalidade, técnicas in-situ e operando são importantes para analisar a estabilidade dos mesmos e a formação de novos compostos durante os processos de carga e descarga da bateria. Para tanto, as técnicas de espectroscopia FTIR e Raman apresentam alta sensibilidade a mudanças estruturais que ocorrem na superfície, enquanto outras são mais sensitivas a mudanças no bulk dos eletrodos. Dessa forma, é de grande importância o emprego de análises complementares, para observar diferentes fenômenos que ocorrem durante as reações eletroquímicas. Dentre essas, destacam-se técnicas como espectroscopia de absorção de Raio-X, que apresenta informações sobre os estados químicos dos materiais, podendo evidenciar a formação de sulfeto de lítio (Li2S) e enxofre. Além disso, técnicas de imageamento também são importantes, como microscopia de transmissão de Raio-X, que pode evidenciar mudanças morfológicas do material durante condições de carregamento e descarregamento. Desse modo, esse projeto proporcionará uma melhor compreensão do desempenho dos materiais cerâmicos durante o processo de adsorção de polissulfetos de lítio dissolvidos no eletrólito, as quais poderão colaborar para o aprimoramento das baterias de Li-S, como o desenvolvimento de novos materiais, contribuindo para futuras aplicações comerciais destas baterias.

Baterias de lítio-enxofre estão sendo intensamente investigadas por apresentarem alta capacidade de carga, densidade de energia e baixo custo. No entanto, essa categoria de baterias de conversão apresenta uma desvantagem principal, conhecida como efeito shuttle, que reduz a capacidade de carga da bateria ao longo dos ciclos, resultando no fim da vida útil do dispositivo após um número de ciclos relativamente menor que as baterias de lítio-íon. Dessa forma, vários estudos têm explorado alternativas para superar esta desvantagem como, por exemplo, o desenvolvimento de novos materiais hospedeiros para acomodar enxofre em sua estrutura, incluindo-se materiais carbonáceos, que têm demonstrado bom desempenho na adsorção de polissulfetos de lítio. A adição de sulfetos e óxidos metálicos também tem proporcionado uma alta adsorção de polissulfetos de lítio, contribuindo para aumentar a ciclabilidade da bateria. Em relação a materiais cerâmicos derivados de polímeros, os mesmos têm sido pouco investigados como hospedeiros de enxofre para baterias de lítio-enxofre. Alguns têm consistido no estudo de carbonitreto (SiCN), óxicarbonitreto (SiOCN) e óxicarbeto (SiOC) de silício. No entanto, com exceção do trabalho recentemente conduzido pelo autor dessa proposta que investigou a aplicação de SiOC como hospedeiro de enxofre, materiais cerâmicos derivados de polímeros de baixo custo, como polisiloxanos, ainda não foram investigados. Com base nesses resultados, esses materiais têm demonstrado eficiência e são altamente promissores para esta aplicação. Recentemente, o uso de SiOC como hospedeiro proporcionou uma retenção de H 34% de sua capacidade de carga após 300 ciclos, o que é um valor considerável para baterias de lítio-enxofre. O objetivo do presente projeto consiste em explorar aplicações de materiais cerâmicos nos cátodos de baterias de lítio-enxofre, principalmente a contribuição da dopagem de metais em estruturas cerâmicas derivadas de precursores poliméricos, particularmente SiOC, tendo como meta contribuir para a viabilização de aplicações práticas de baterias de lítio-enxofre.

A computação quântica surgiu como uma forma de aumentar o poder de processamento das máquinas, solucionando problemas em intervalo de tempo muito menor do que seria demandado por computadores convencionais. Entretanto, a célula fundamental dos computadores quânticos, os Qbits, apenas são operacionais em temperaturas extremamente criogênicas, na faixa de milésimos de Kelvin. Além disso, os Qbits necessitam de integração com sistemas de controle e correção de erro, que são implementados em tecnologia CMOS. Para que esta integração ocorra, diversos trabalhos têm demonstrado que o uso dos circuitos construídos em tecnologia CMOS operando a temperaturas entre 77 K até 4 K, ao invés de em temperatura ambiente, oferece menor incidência de ruído e, consequentemente, menor necessidade de correção de erro.A indústria de semicondutores deve grande parte de seu sucesso à capacidade de continuamente diminuir o tamanho dos dispositivos (basicamente transistores) que compõe os circuitos integrados (chips). Esta diminuição permite um incremento do número de transistores integrados em um único chip. Possibilita ainda redução da potência consumida, a fabricação de memórias com maior capacidade de armazenamento e a integração de novas funcionalidades ao chip. A constante miniaturização dos transistores MOS, atingindo dezenas de nanômetros de comprimento de canal, tem dificultado a utilização de tecnologias MOS tradicionais, fabricadas em substratos de Si monocristalino, devido à presença de efeitos de canal curto. De modo indesejável, tais efeitos afastam o transistor MOS em suas características elétricas ideais, promovendo o aumento da corrente de desligamento, redução da tensão de limiar e inclinação de sublimiar, entre outros problemas. Como forma para minimizar os efeitos de canal curto, decorrentes da miniaturização, transistores MOS com múltiplas portas, como os FinFETs, passaram a ser utilizados, uma vez que melhoram sensivelmente o controle eletrostático das cargas na região de canal. Desenvolvidos recentemente, os transistores MOS de nanofios e nanofolhas de Si tem apresentado resultados promissores para a evolução dos FinFETs. Estas estruturas possuem seção transversal de poucos nanômetros (em geral 10 a 20 nanômetros), possibilitando excelente controle eletrostático em transistores MOS com comprimentos de canal inferiores a 14 nanômetros. Também foram propostos recentemente transistores MOS de nanofios e nanofolhas transistores empilhados, que consistem em dois ou mais níveis de semicondutor superpostos e compartilhando o mesmo eletrodo de porta, funcionando como um único transistor, aumentando a corrente por unidade de área consumida na lâmina.Neste contexto, este projeto de pesquisa objetiva expor as estruturas de transistores MOS de nanofios e nanofolhas à faixa de temperaturas adequada para os circuitos de interface com os Qbits, avaliando seu desempenho. Esta exposição permitirá a obtenção de dados relevantes para I) a evolução desses transistores para operação em temperaturas criogênicas; II) adaptação dos modelos de simulação numéricas para comportar a realização de simulações em temperaturas criogênicas, permitindo a observação de variáveis internas relevantes para os transistores. O projeto utilizará transistores MOS de nanofios ou nanofolhas de Si empilhados fabricados no CEA-Leti, França.

Semicondutores tensionados mecanicamente apresentam diversas propriedades físicas que são de grande interesse para as ciências pura e aplicada. Essas características estão relacionadas a mudanças em suas propriedades elétricas, térmicas e ópticas devido a mudanças no diagrama de bandas do material. Além disso, as técnicas de fabricação utilizadas para criar estruturas tensionadas são de vital importância, pois elas apresentam- se como fator limitante para alcançar elevado estresse, uniformidade do estresse, tipo de estresse (uniaxial, biaxial, compressivo, tracionador), assim como a necessidade do uso de atuadores externos. Dessa forma, a otimização da mobilidade elétrica de portadores em silício tensionado vem sendo amplamente investigada e aplicada na indústria de microeletrônica (transistores) de alta velocidade, para se estender a lei de Moore.Nesse sentido, este projeto propõe a fabricação de nanofios com níveis de tensionamento uniaxial e uniforme muito acima daqueles utilizados pela indústria. Esta tarefa será realizada de forma controlada pelas dimensões do nanofio na escala nanométrica, sem o uso de atuadores mecânicos externos e, com um processo compatível com a indústria microeletrônica para produzir um método adequado de fabricação de transistores. Adicionalmente, o estudo da mobilidade em níveis altíssimos de strain pretende gerar um avanço tecnológico, sendo um passo à frente na fabricação da próxima geração de transistores de alta performance.Além disso, os nanofios fabricados neste trabalho serão utilizados para o estudo do fenômeno de piezoresistência gigante em nanofios, que tem sido recentemente investigada na literatura, atraindo grande atenção da comunidade científica devido ao seu potencial de aplicação em sensores de alta sensibilidade e microeletrônica de alta velocidade. Contudo, o fenômeno físico por trás da piezoresistência gigante continua desconhecido e requer mais estudos, o que é proposto neste trabalho. Também propõe-se neste trabalho fabricar dispositivos MOSFET baseados em nanofios ultra-tensionados utilizando a topologia do tipo gate-all-around (GAA) para extração da mobilidade de portadores em função do stress.Em resumo, visamos obter nanofios de silício para o estudo da mobilidade elétrica de portadores, assim como da piezoresistência gigante em níveis de stress mecânico maiores que os valores atuais presentes na literatura. Esse objetivo será alcançado com controle preciso e sem atuadores externos em um processo top- down compatível com a tecnologia CMOS empregada na indústria de semicondutores.

Sistemas híbridos de obtenção de hidrogênio a partir da eletrólise por energia fotovoltaica (PV-EL) é muito limpo, porém economicamente inviável. Destaca-se a necessidade de desenvolvimento de novos materiais para os painéis fotovoltaicos e para os eletrodos da célula de eletrólise. A fim de satisfazer a exigência desenvolver dispositivos ambientalmente amigáveis, os eletrocatalisadores para a reação de evolução de hidrogênio precisam ser capazes de alcançar excelentes atividades e estabilidade a longo prazo, que possam operar em uma ampla faixa de valores de pH. Diante disso, o presente projeto tem como objetivo o desenvolvimento de eletrodos compósitos a base de carbono baseados em oxido de ferro ancorados em grafeno e nanotubos de carbono para a geração de hidrogênio a partir da eletrólise aquosa em meio neutro utilizando energia fotovoltaica. As nanopartículas de Fe3O4 (FeNPs) serão sintetizadas por precipitação em meio de solução de amônia, em seguida misturadas com óxido de grafeno e FMWCNTs. Os eletrodos serão preparados por drop-casting utilizando misturas com diferentes proporções das FeNPs, OG e FMWCNTs em substratos de cobre. Os eletrodos modificados serão caracterizados por MEV-FEG, EDS, TG, DSC, FTIR, Raman, e técnicas eletroquímicas, como EIS, cronoamperometria e voltametria cíclica. Os eletrodos serão avaliados quanto ao desempenho na geração de hidrogênio em um sistema híbrido, utilizando um painel fotovoltaico como fonte de corrente para a eletrólise em meio neutro.

A indústria de semicondutores deve grande parte de seu sucesso à capacidade de continuamente diminuir o tamanho dos transistores que compõe os circuitos integrados (CI). Esta diminuição permite um incremento do número de transistores integrados em um único CIs. Possibilita ainda redução da potência consumida, a fabricação de memórias com maior capacidade de armazenamento e a integração de novas funcionalidades ao CI. A constante miniaturização dos transistores MOS tornou impraticável a utilização de tecnologias MOS tradicionais, fabricadas em substratos de Si monocristalino, devido à ocorrência de efeitos de canal curto. De modo indesejável, tais efeitos afastam o transistor MOS de suas características elétricas ideais, promovendo o aumento da corrente de desligamento, redução da tensão de limiar e inclinação de sublimiar, entre outros problemas. Como forma para minimizar os efeitos de canal curto, transistores MOS tridimensionais com múltiplas portas, como os FinFETs, passaram a ser utilizados, uma vez que melhoram sensivelmente o controle eletrostático das cargas na região de canal. Desenvolvidos recentemente, os transistores MOS de nanofios ou nanofolhas de Si tem apresentado resultados promissores para a evolução dos FinFETs. Estas estruturas possuem seção transversal de poucos nanômetros (em geral 10 a 20 nanômetros), possibilitando excelente controle eletrostático em transistores MOS com comprimentos de canal inferiores a 14 nanômetros. Estas estruturas avançadas têm sido implementadas com sucesso em substratos do tipo silício sobre isolante (SOI - Silicon-On-Insulator).Dentre as aplicações com potencial para utilização de tecnologia CMOS com nós tecnológicos de maior complexidade está a Computação Quântica. A célula fundamental dos computadores quânticos, os Qubits, apenas são operacionais em temperaturas extremamente criogênicas, na faixa de milésimos de Kelvin. Além disso, os Qubits necessitam de integração com sistemas de controle e correção de erro, que são implementados em tecnologia CMOS. Para que esta integração ocorra, diversos trabalhos têm demonstrado que o uso dos circuitos construídos em tecnologia CMOS operando a temperaturas entre 77 K até 4 K, ao invés de em temperatura ambiente, oferece menor incidência de ruído e, consequentemente, menor necessidade de correção de erro.A operação de transistores MOS em temperaturas altamente criogênicas apresenta algumas melhoras nas características elétricas dos dispositivos, como redução da inclinação de sublimiar, maior mobilidade dos portadores e maior corrente elétrica. Entretanto, a passagem de corrente elétrica provoca Efeito Joule, aumentando a temperatura do transistor, se contrapondo às melhorias mencionadas. Esse efeito é conhecido como auto-aquecimento e é especialmente problemático para transistores maior que a do Si. O conhecimento das propriedades térmicas de transistores MOS de nanofios e nanofolhas de Si em função da temperatura do ambiente, em especial da sua capacidade de operarem em temperaturas criogênicas, é de fundamental importância para a sua adoção em circuitos como os utilizados em computação quântica.Este projeto de pesquisa objetiva avaliar, utilizando simulações numéricas tridimensionais e medidas experimentais, as propriedades elétricas de transistores SOI MOS de nanofios e nanofolhas de Si do estado da arte operando desde temperatura ambiente até a faixa criogênica, adequada para os circuitos de interface com os Qubits. Esta exposição permitirá a obtenção de dados relevantes para I) a evolução desses transistores para operação em temperaturas criogênicas; II) desenvolvimento de modelos compactos para a simulação de circuitos eletrônicos em tecnologia CMOS utilizando estas estruturas do estado da arte, III) adaptação dos modelos de simulação numéricas para comportar a realização de simulações em temperaturas criogênicas, permitindo a observação de variáveis internas relevantes.

Para desenvolver e aprimorar baterias de íon de lítio, é importante um melhor entendimento do comportamento eletroquímico dos eletrodos, dos eletrólitos e suas respectivas interfaces. A interface eletrodo/eletrólito geralmente apresenta a formação de uma camada de passivação no eletrodo. Essa camada, conhecida como SEI (do inglês Solid-Electrolyte Interface), atua como isolante eletrônico e condutor iônico. A SEI depende das condições dos eletrólitos e especialmente do catodo. Os materiais para cátodos podem ser inúmeros neste trabalho iremos focar em materiais de alta capacidade específica como LiMnO2 (LMO), LiNiO2 (LNO) e LiFePO4 (LFP) com a finalidade de encontrar alternativas para substituir cátodos que contenha cobalto. Além das baterias que são sistema de alta densidade de energia, estudaremos supercapacitores que são sistema de potência e complementam as primeiras. Em relação aos supercapacitores, um objetivo importante desse trabalho é estudar a degradação dos eletrodos de carbono em diferentes sistemas. Dentro deste contexto serão realizados: (a) síntese e caracterização de novos eletrodos assim como de eletrólitos, em supercapacitores e baterias; (b) a caracterização da interface entre o eletrodo e eletrólito; (c) estudo da evolução dos eletrodos e eletrólitos no transiente de potencial; (d) estudo de degradação do eletrodo e eletrólito em potenciais abusivos; e (e) a formação de filmes de passivação, como a camada SEI nas baterias de íon de lítio. A caracterização eletroquímica in-situ será feita com células de dois ou três eletrodos. Para complementar a investigação eletroquímica, o FTIR será empregada espectroscopia FTIR in-situ e operando para estes tipos de células pela primeira vez no Brasil. Para auxiliar na interpretação dos dados FTIR operando, técnicas de caracterização operando de suporte como espectroscopia Raman e análise de gases nos ajudarão a entender melhor os mecanismos envolvidos. Técnicas adjacentes como Raman, XPS, XRD ex situ tambem serão empregados em amostra como preparadas e post-mortem. (AU)

A constante miniaturização de transistores MOS tem dificultado a utilização de tecnologias tradicionais em substratos de Si, devido à ocorrência de efeitos de canal curto, que degradam as características elétricas dos transistores. A tecnologia de fabricação de circuitos integrados (CIs) em lâminas SOI tem se constituído como uma importante alternativa à tecnologia CMOS convencional, na fabricação de CIs, visando a contínua redução de dimensões. Transistores SOI são fabricados em uma fina camada de silício, separada do substrato por um material isolante, e apresentam melhorias tais como redução nas capacitâncias de junção e maior mobilidade dos portadores na região de canal, minimizando ou retardando para gerações tecnológicas mais complexas, a ocorrência de efeitos parasitários indesejáveis, decorrentes da redução das dimensões de MOSFETs. Mais recentemente, com o intuito de minimizar os efeitos decorrentes da miniaturização, transistores MOS com múltiplas portas passaram a ser utilizados. Estes dispositivos têm sido considerados bastante promissores, uma vez que melhoram o controle eletrostático das cargas na região de canal, reduzindo a incidência dos efeitos de canal curto. A redução da altura da aleta de silício deu origem a nanofios transistores, que possuem seção transversal de poucos nanometros, possibilitando excelente controle eletrostático e minimizando efeitos indesejáveis encontrados em MOSFETs com comprimentos de canal da ordem de 10 nm. Para aumentar a densidade de integração, é ainda possível fabricar nanofios transistores empilhados, aumentado a densidade de corrente por unidade de área. A análise da influência da temperatura na operação de dispositivos eletrônicos é de grande importância, pois, quando submetidos a variações de temperatura, apresentam alterações significativas em seu comportamento elétrico, que podem prejudicar ou melhorar o funcionamento de CIs. A operação de transistores MOS em baixas temperaturas oferece melhoria de desempenho em comparação com a operação em temperatura ambiente, e é de grande importância em aplicações tais como aeroespacial e computação quântica. Por outro lado, apesar da degradação de desempenho elétrico causada pela operação em altas temperaturas, algumas aplicações tais como automotiva, expõem os transistores a temperaturas elevadas. Desta forma, o surgimento de novas aplicações e a necessidade de desenvolvimento de tecnologias robustas impulsiona o estudo de componentes e circuitos eletrônicos em temperaturas extremas de operação. A tensão de limiar é um dos parâmetros elétricos básicos de MOSFETs. Existem diversos métodos de extração deste parâmetro, baseados tanto em curvas de corrente como de capacitância em função da tensão de porta do dispositivo. Entretanto, sabe-se que que estes métodos podem resultar em diferentes valores de tensão de limiar para um mesmo dispositivo, além de apresentar diferenças na dependência desta com a temperatura.Neste projeto será realizado um estudo da tensão de limiar de nanofios transistores SOI de dimensões nanométricas, em função da temperatura. O estudo será realizado através de medidas elétricas e de simulações numéricas tridimensionais. As medidas elétricas permitirão a obtenção da tensão de limiar para várias temperaturas, utilizando diferentes métodos de extração. A influência da alteração da largura do nanofio será avaliada, em transistores em um único nível e empilhados. Serão utilizados para as medidas elétricas nanofios transistores fabricados no CEA-Leti/ França. As simulações numéricas tridimensionais serão calibradas com os dados experimentais e permitirão a análise de variáveis internas, tais como potencial e concentração de elétrons, a fim de determinar o valor da tensão de limiar através destas variáveis físicas. Assim, espera-se determinar qual método disponível na literatura é capaz de descrever com maior precisão o comportamento da tensão de limiar em função da largura dos nanofios e da temperatura.

Esta proposta de pesquisa visa fomentar um estudo de mestrado fundamentado na obtenção dos componentes de uma célula a combustível de óxido sólido suportada por metal (MS-SOFC: Metal Supported-Solid Oxide Fuel Cell) e a correlação de sua estrutura, microestrutura e arquitetura com as propriedades eletroquímicas visando geração de energia embarcada a partir do bioetanol em veículos híbridos. As MS-SOFC são dispositivos de conversão eletroquímica capazes de produzir eletricidade a partir da oxidação direta de um combustível, tais como o hidrogênio (H2) e o bioetanol. Uma das principais vantagens desses dispositivos é a reforma interna do bioetanol em H2 diretamente no anodo da MS-SOFC. O bioetanol por ser um combustível renovável líquido já possui sua logística de distribuição no Brasil, é muito mais seguro, fácil de transportar e armazenar quando comparado ao H2. Nesse contexto, o candidato aprenderá diversas técnicas de obtenção dos suportes metálicos de aço inox ferrítico (FSS: ferritic stainless steel), eletrodos (catodo e anodo), eletrólito e DBLs (DBLs: diffusion barrier layers), dentre elas podemos citar: tape casting, screen printing, sol gel e PVD (PVD: physical vapor deposition). Cada MS-SOFC obtida será rigorosamente caracterizada por técnicas ex situ tais como BET, XRD, SEM, XPS, TEM e in operando tais como espectroscopia Raman e de massa e espectroscopia de impedância (EIS), distribuição dos tempos de relaxação (DRT: distribution relaxation times) por EIS, voltametria em circuito aberto (CV-OCV) para levantamento de curvas de densidade de potência, testes de degradação ao longo do tempo (endurance) por cronopotenciometria e outras que forem convenientes. (AU)