Engenharia Elétrica e Computação - Teses - EE Higienópolis
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Navegando Engenharia Elétrica e Computação - Teses - EE Higienópolis por Orientador "Matos, Christiano José Santiago de"
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- TeseAnálise teórica de sistemas baseados na condição de ressonância de plásmons de superfície para aplicações em sensoriamento no visível e infravermelho médioAlmeida, Aline dos Santos (2022-02-02)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
Esta tese apresenta uma análise teórica utilizando simulações numéricas no software Matlab de sistemas baseados na condição de ressonância de plásmons de superfície (em inglês, Surface Plasmon Resonance, SPR) no visível, tendo como material plasmônico o ouro, e no infravermelho médio, explorando o óxido metálico transparente ITO (em inglês, Indium Tin Oxide), para sensoriamento químico e biossensoriamento. Para os estudos no visível será considerado o analito (substância de interesse) em meio aquoso. Já no infravermelho, o analito em estudo será a concentração de água presente no biocombustível etanol A principal motivação deste trabalho foi a recente necessidade de desenvolvimento de novos biossensores para detecção de compostos químicos e biológicos prejudiciais ao ser humano. Um sensor químico, ou biossensor, convencional baseado em SPR é composto por um sistema multicamadas Prisma/Condutor/Analito. O analito é responsável por mudar o índice de refração próximo à superfície detectora, alterando a condição de SPR. O condutor comumente utilizado é um filme de ouro. Porém, no infravermelho, o ouro sofre perdas ópticas, e, neste caso, o ITO mostra-se mais adequado para geração de plásmons poláritons de superfície. A respeito do desempenho de sensores, a literatura reporta que, além de melhorar a fixação de biorreceptores e proteger contra oxidação, a adição de camadas de grafeno é capaz de aumentar a sensibilidade de sistemas baseados na condição de SPR do ouro. Um dos desafios desse trabalho foi, portanto, desenvolver um modelo teórico para um sistema multicamadas utilizando os coeficientes de Fresnel e as equações resultantes do método da matriz de transferência para o estudo da sensibilidade, bem como compreender a real influência do grafeno no desempenho de sistemas baseados na condição de SPR do ouro reportados na literatura. Neste estudo, o grafeno foi modelado de três maneiras distintas: como condutividade superficial (modelo 2D), como filme fino isotrópico e anisotrópico (modelos 3D). Os resultados mostraram que o aumento de sensibilidade utilizando o modelo 3D isotrópico reportado na literatura não é real, pois o grafeno deve ser modelado como uma condutividade superficial, ou como um filme fino anisotrópico, sendo que utilizando qualquer um desses dois tipos de modelamento não é possível obter aumento significativo de sensibilidade. Já no infravermelho, os resultados obtidos demonstraram que a sensibilidade em termos de unidade de índice de refração por concentração de água em etanol (RIU/%) é ~ 5 vezes maior que no visível, tornando sistemas baseados na condição de SPR do ITO muito atrativos para construção de sensores químicos e biossensores. - TeseDispositivos fotônicos a partir da micromanipulação das propriedades de fibras ópticasGerosa, Rodrigo Mendes (2015-08-26)
Engenharia Elétrica
Essa tese descreve o desenvolvimento de novos dispositivos fotônicos produzidos a partir da micromanipulação das propriedades de fibras ópticas, isto é, da alteração em escala micrométrica, das propriedades ópticas e/ou geométricas destas. Nesse contexto, três linhas de trabalho foram seguidas, utilizando diferentes técnicas de processamento de fibras ópticas e levando à demonstração de diferentes tipos de dispositivos. Na primeira linha foi demostrado o acoplamento de dois núcleos em uma fibra de cristal fotônico com três núcleos inicialmente desacoplados. Os acopladores apresentaram uma perda de inserção estimada de ~1 dB e exibiram modulações espectrais com uma profundidade de até 18 dB. Apresentaram também uma sensibilidade elevada à polarização, que pode ser explorada em divisores de polarização (polarization beamsplitters) a fibra. Para isso foi utilizada uma técnica de alteração da estrutura da fibra através da aplicação de pressão diferencial e aquecimento local,. Na segunda linha foi desenvolvido um laser do corante Rodamina com uma cavidade optofluídica totalmente integrada em fibra. Nela, era possível manter um alto fluxo da solução de corante, de até 400 μl/min, o que permitiu utilizar um laser de bombeio com alta taxa de repetição (1kHz) sem observar-se degradação do meio de ganho. Uma taxa de conversão óptica de até 9% e uma energia de limiar (threshold) menor que 1 μJ foram obtidas. Utilizou-se aqui uma técnica de emenda através da qual uma fibra capilar clivada em ângulo era emendada com uma fibra convencional, deixando assim uma entrada lateral para fluidos. A terceira linha visou incorporar nanomateriais de carbono a fibras ópticas. Nesse caso duas abordagens foram empregadas: em uma, filmes poliméricos com espessuras de 20 μm e contendo nanotubos de carbono foram produzidos na face de conectores de cordões de fibra ópticas; esse cordões foram inseridos em cavidades laser a fibra dopada com érbio para atuar como absorvedores saturáveis para a obtenção de mode locking. Com isso foram obtidos pulsos de até 364 fs e espectros com larguras de banda de 10,2 nm. Os filmes foram formados a partir de uma microgota de uma suspensão de nanotubos de carbono em adesivos ópticos que foi colocada sobre a face de conectores de fibra óptica com uma micropipeta. Ainda na mesma linha obtiveram-se fibras de cristal fotônico (PCFs) com filmes de óxido de grafeno homogêneos no interior de seus capilares. A homogeneidade foi comprovada através de espectroscopia Raman e pela medida da perda em função do comprimento das fibras, realizada através do método cut back. Uma PCF foi, ainda, emendada a cordões de fibra convencional conectorizados e incorporada a cavidades laser para geração de pulsos. A produção dos filmes foi realizada através da inserção de uma suspensão de óxido de grafeno nos capilares de PCFs de núcleo sólido, após o qual o solvente era secado. - TeseFabricação e caracterização de fibras ópticas contendo nanopartículas de ouro e conversão de frequências em microrressonadores em anelOliveira, Rafael Euzebio Pereira de (2014-08-18)
Engenharia Elétrica
Efeitos não lineares são essenciais para construção de dispositivos fotônicos como moduladores, chaves ópticas e conversores de frequências. Esta tese apresenta o projeto e a simulação de um conversor de frequências baseado na geração de segundo harmônico controlado por campo elétrico estático em um ressonador em anel de nitreto de silício, visando o desenvolvimento de dispositivos para conversão de frequências ópticas e geração de estados não clássicos da luz em chips fotônicos. A simulação desenvolvida prevê eficiência de conversão de até -8,25 dB com o diferencial de oferecer uma interface elétrica no controle de conversão. Dispositivos baseados em fibras ópticas também são visados nesta tese e uma nova técnica para fabricação de fibras ópticas com resposta não linear aumentada pela presença de nanopartículas metálicas de ouro é apresentada. As fibras fabricadas são baseadas em sílica com dopagem de alumínio e ouro no núcleo, possuindo total compatibilidade de integração com fibras ópticas convencionais. As nanopartículas foram sintetizadas através de tratamentos térmicos em forno ou aquecimento com feixe laser de CO2, obtendo-se um controle sem precedentes das dimensões e densidade de nanopartículas em fibras ópticas. Comparadas às fibras previamente reportadas na literatura, foram obtidas maiores concentrações de nanopartículas estimadas por picos de absorções plasmônicas maiores que 800 dB/m e por um consequente aumento no índice de refração não linear de pelo menos 50x no regime de onda contínua, obtendo-se valores de n2=(6,75±0,55)×10-15 m²/W. O desenvolvimento dessas fibras e o projeto do ressonador em anel para conversão de frequências oferecem plataformas para o desenvolvimento de dispositivos eficientes e integrados para sistemas ópticos baseados em fibras ópticas e em chips fotônicos. - TeseGrafeno em substratos transparentes dielétricos para aplicações fotônicasRomagnoli, Priscila (2017-05-04)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O grafeno é um material bidimensional composto de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal com excelentes propriedades eletrônicas, como a alta mobilidade eletrônica, e ópticas, como a absorção independente do comprimento de onda devido ao gap zero [1]. Novoselov e Geim [2] isolaram o grafeno pela primeira vez em 2004 e, desde então, o grafeno vem demonstrando aplicações nas mais diversas áreas. Na área de fotônica, até o momento, aplicacões como absorvedores saturáveis, polarizadores e moduladores, entre outras, já foram demonstradas utilizando o nanomaterial em substratos transparentes dielétricos. Esse tipo de substrato torna-se necessário em aplicações fotônicas, uma vez que em geral sua absorção da luz pelo substrato é indesejada. Com este requerimento em vista, esta tese de doutorado estuda o grafeno sobre substratos dielétricos transparentes, com dois objetivos principais. O primeiro objetivo é aumentar o contraste óptico do grafeno sobre substratos transparentes, melhorando sua visualização. A refletância de vidros silicatos recobertos com grafeno, por exemplo,é de 4,3% (incidência normal), enquanto a refletância do vidro sem grafeno é de4,0%, o que gera valores de contraste _optico baixos, da ordem de 8%. Este problema é estudado e duas soluções para o aumento de contraste são apresentadas. A primeira utiliza a condição de polarização por reflexão da luz em ângulo de Brewster, que possibilita o cancelamento da reflexão do substrato e a obtenção de reflexão somente onde há grafeno. A técnica proposta mostrou um aumento do contraste óptico de até 380x em relação á microscopia óptica convencional. A segunda técnica de aumento de contraste explora o fato, não muito usual, de que a reflexão no grafeno sobre vidro depende do meio a partir do qual a luz incide (a partir do ar ou vidro). Com incidência normal, foi observado que a incidência pelo substrato de vidro gera um aumento no contraste óptico de 1,3x em relação _a incidência pelo ar. A técnica pode ser facilmente implementada em um microscópio óptico convencional. O segundo objetivo da presente tese consiste em investigar um novo método de dopagem elétrica de grafeno sobre vidros. A dopagem permite o ajuste das características ópticas e eletrônicas do grafeno. O método consiste em explorar o processo de poling térmico de vidros silicatos. O poling é um método conhecido para gravação de um campo elétrico próximo á superfície em vidros. A dopagem gerada pelo poling é investigada a partir dos deslocamentos espectrais gerados na banda G Raman do grafeno e a partir da excitação de plásmons de superfície. Observou-se, entretanto, que o poling gerava uma concentração de portadores no grafeno menor do que a esperada, de ~2,9x1012cm-2, indicando que o campo gravado é neutralizado antes de chegar ao grafeno. Apesar de não se entender ainda a origem de tal neutralização, uma possibilidade é uma migração de cargas do grafeno para o substrato, o que blindaria o campo elétrico no grafeno. Os efeitos de dopagem decorrentes de interação com o ambiente e com o substrato também são mostrados como fatores importantes que influenciam significativamente a concentração de cargas do nanomaterial.É demonstrada uma redução significativa nesses efeitos utilizando-se um substrato de hBN esfoliado sobre sílica e atmosfera de argônio.