Walter Jaimes Salcedo.

O monitoramento ambiental de forma contínua e em tempo real são desafios da realidade atual dos grandes centros urbanos, com a finalidade de prevenir contaminações ambientais que possam pôr em perigo a saúde dos seres humanos e a existência de sistemas biológicos. No presente projeto será proposto e desenvolvido estratégias e métodos instrumentais dedicados para a detecção, classificação e quantificação de oxigênio dissolvido (OD), turbidez, clorofila-a, nitratos, fosfatos, partículas não-algais (aNAP), fitoplâncton (aφ), matéria orgânica colorida dissolvida (aCDOM) e íons metálicos presentes em meios aquáticos na prática da piscicultura, sendo baseados em princípios de medição por colorimetria, fluorimetria, processamento de sinais e métodos de reconhecimento de padrões, tendo como referências comparativas os mais atuais métodos utilizados nos tradicionais laboratórios industriais e de pesquisas empregados na detecção analítica de variáveis de controle ambiental.
Toda a tecnologia de quantificação e classificação dos meios sob análise estará baseada no uso de sensores optoeletrônicos multiespectrais e será totalmente integrada a um hardware embarcado com tecnologia FPGA (Field Programmable Gate Array) e softwares baseados em instrumentação virtual para monitoramento contínuo on line e in loco, sugerindo o seu uso em aplicações no monitoramento de efluentes de rios, estuários, praias e mares. O projeto será desenvolvido com recursos disponíveis dentro do grupo do Laboratório de Microeletrônica, da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, Instituto Federal de São Paulo, no campus Salto, e na unidade da Embrapa ? Meio Ambiente (Jaguariúna-SP).

O monitoramento ambiental de forma contínua e em tempo real são desafios da realidade atual dos grandes centros urbanos, com a finalidade de prevenir desastres ambientais que possam pôr em perigo os seres humanos e a existência de sistemas biológicos. Neste sentido, a comunidade científica tem apresentado variadas alternativas com este propósito. No presente trabalho foram propostos e desenvolvidos sistemas optoeletrônicos portáteis aplicados na detecção de O2, OD e íons de metais pesados, visando seu emprego no monitoramento de sistemas hidrológicos como mares, rios, lagos e lençóis freáticos. A definição final da estrutura do sistema portátil foi atingida após o desenvolvimento sistemático de diferentes ensaios experimentais. Primeiramente, foram estudadas e analisadas matrizes hospedeiras em estado sólido capazes de hospedar sistemas moleculares corantes sensíveis à certas substâncias específicas. A seguir, foi proposta e executada a integração direta dos filmes hospedeiros, dopados com moléculas corantes ativas diretamente na superfície ativa de dispositivos fotodetectores, eliminando assim, a utilização de espectrômetros de bancada. Os resultados obtidos com estes sistemas que integram o detector e o filme ativo mostraram o mesmo nível de desempenho do que os espectrômetros de bancada. Finalmente, de posse destes resultados, foi projetado e desenvolvido um sistema colorimétrico e fluorimétrico portátil e embarcado numa placa de aquisição myRIO 1900 da National Instruments, aplicado na detecção e classificação de íons metálicos. Destaque principal é outorgado à aplicação do colorímetro que, juntamente com o processamento de sinais e análises de padrões utilizando o método de discriminante de Fisher, permitiu obter resultados excelentes na detecção e classificação dos íons de Pb2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Fe3+ e Ni2+, tendo o mesmo nível de desempenho em relação aos obtidos a partir de espectrômetros de bancada de elevada resolução espectral. O sistema portátil desenvolvido no presente projeto sugere sua aplicação no controle ambiental in situ e em tempo real, de tal forma a poder ser integrado numa rede de sensores que possam fornecer dados de maneira contínua e receber comandos de centros de controle de monitoramento ambiental, sendo necessária a formulação de algoritmos eficientes no processo de mineração de dados da rede de sensores.

O desenvolvimento de sensores em sistemas para controle ambiental tem-se mos-trado uma área de elevado interesse científico e técnico. Os principais desafios nes-ta área estão relacionados ao desenvolvimento de sensores com capacidade de de-tecção de várias substâncias. Nesse sentido na primeira parte do presente trabalho foi projetado e implementado um sistema de aquisição, processamento de sinais e geração de imagens químicas aplicado para a medição do nível de pH e detecção de metais pesados e elementos patogênicos totalmente integrado e construído na placa sbRIO-9631. No sistema foi desenvolvido e integrado um amplificador Lock-in digital para leitura de valores de mudança de fase e intensidade dos sinais proveni-entes de sensores optoeletrônicos. Foi desenvolvido é integrado um sistema auto-matizado de controle de mistura de gases para realizar ensaios de calibração do sensor e medições de tempo de resposta dos sensores. Assim mesmo foi desenvol-vido e integrado um sistema automatizado de escaneamento XY de fonte de luz de excitação para os sensores ópticos utilizando um display µOLED-128-G1. Este sis-tema ainda pode ser integrado a dispositivos móveis via Internet para transferência de dados a centros de pesquisa e monitoramento. O sistema integrado com todas as unidades acima descritas mostrou ser um sistema portátil, reconfigurável e eficiente para a aquisição e processamento de sinais de resposta de diversos tipos de senso-res tais com LAPS, TAOS e FMOS. Na segunda parte do presente trabalho, foi pro-posto um sensor MOS com um perfil geométrico de porta em forma de cata-vento composta por Pd, Au e Pt. A resposta do sensor mostrou ter alta sensibilidade a mo-léculas ricas em átomos de H, como os gases H2 e NH3. As medidas de capacitância mostraram que o sensor tem uma resposta não linear para H2 e NH3 obedecendo à lei da isoterma de Langmuir. O sensor MOS mostrou-se eficiente na geração de imagens químicas através da técnica de escaneamento por luz pulsada. As imagens químicas correspondentes aos gases H2 e NH3 mostraram diferentes padrões quando o N2 foi utilizado como gás transportador. A diferença entre os padrões aconteceu principalmente devido ao perfil geométrico da porta metálica. A sensibilidade do sensor mostrou dependência com o potencial de polarização. Nas medidas de capacitância, a maior sensibilidade foi observada para potenciais próximos da tensão de banda plana. Já para as imagens químicas, a maior sensibilidade foi observada para potenciais inteiramente na região de depleção. A sensibilidade do sensor também se mostrou dependente do gás transportador. O sensor mostrou ser mais sensível com N2 como gás transportador do que com ar seco. No entanto, o processo de dessorção dos íons H+ resultou ser mais eficiente em ar seco. Os resultados obtidos no presente trabalho sugerem a possibilidade de fabricação de um nariz optoeletrônico utilizando apenas um único sensor MOS.

O objetivo do presente trabalho foi fabricação de metamateriais metálicos e de silício visando sua aplicação em dispositivos sensores quimicos. Os metamateriais de silício consistiram de nanotubos de silício fabricados através de métodos eletroquímicos, utilizando como material de partida o silício poroso. Os resultados obtidos neste trabalho apresentam contribuições significativas nos campo da nanotecnologia, bem como no campo da eletroquímica do silício. Esses resultados mostraram que a formação dos nanotubos de silício é sensível às variações do pH, tipo e concentração dos oxidantes, tempo de corrosão, espessura das camadas porosas e tratamento prévio da superfície polida das amostras com alumínio e posterior recozimento térmico. A análise da composição química dos MTS, realizada mediante a técnica EDS, junto aos resultados da espectroscopia Raman, indica que as estruturas são tubos de Si, cuja estrutura estequiométrica é a mesma que a do cristal de Si. Adicionalmente, utilizando esta mesma estratégia foi demonstrada a possibilidade de formação de nanotubos metálicos através do controle das condições químicas e eletroquímicas da solução, utilizadas na formação das estruturas tubulares de silício. Os resultados apresentados neste trabalho são completamente inéditos e de baixo custo operacional se comparados a processo reportados na literatura.
Outra estratégia de fabricação de metamateriais metálicos utilizando substratos de alumina anódica porosa foi abordada. Neste caso o primeiro objetivo foi a fabricação de nanoestruturas de alumina anódica porosa (AAP) auto-organizadas por uma etapa de anodização e posterior aplicação na síntese de nanopartículas e nanofios metálicos. As nanoestruturas auto-organizadas de AAP foram obtidas por apenas uma só etapa de anodização em acido oxálico (H2C2O4) a temperatura ambiente diferentemente dos processos convencionais onde são utilizados duas ou mais etapas de anodização. As características estruturais dos filmes de AAP foram moduladas através do controle dos parâmetros da concentração da solução, temperatura e potencial de polarização. O procedimento chave, para a obtenção de APP organizadas apenas por uma etapa de anodização, foi o pós-processamento de abertura dos poros através de um processo de corrosão química. Os resultados obtidos neste trabalho mostraram que, o diâmetro médio dos poros apresentou uma dependência linear com a temperatura, potencial e tempo de corrosão química e foi constante em relação à concentração da solução eletrolítica. Posteriormente foram obtidos nano partículas e nano fios metalicos utilizando-se as estruturas de APP como moldes, como os filmes de APP são isolantes a obtenção das nano partículas e nano fios foi realizado através de um processo de eletrodeposição de corrente alternada. Os resultados deste trabalho mostraram que, nanoestruturas de AAP auto-organizadas podem ser fabricadas por uma etapa de anodização controlando o tempo de pós-corrosão química. Os resultados apresentados neste trabalho mostram-se vantajosos em relação aos reportados na literatura, já que normalmente as estruturas de APPs são obtidas mediante processos de anodização em duas etapas e tempos longos de anodização.
Finalmente foram propostas estruturas de metamateriais acústicos através de cálculos teóricos. Os metamateriais acústicos/elásticos são materiais que apresentam características acústicas/elásticas diferentes dos materiais comuns encontrados na natureza, sendo o índice de refração negativo a principal característica destes novos materiais.

O desenvolvimento do projeto de nanoantenas ópticas teve como principal objetivo a intensificação de campo próximo. No presente trabalho a intensificação de campo próximo tem sido aplicado na intensificação de conversão de energia alta ?upconversion energy?, na intensificação do efeito de espalhamento Raman e na otimização da conversão de energia em celulas solares de filme fino.
O processo de conversão de energia alta tem o propósito de otimizar a absorção de energia óptica na região infravermelho e converter esta energia via transferência de energia para energia óptica na região visível do espectro (600 a 500nm) de tal forma otimizar a eficiência quântica das células solares de silício. Para tal fim, no presente trabalho foram utilizados nano-particulas de NaYF4:Yb(20%)/Er(2%)/NaYF4:Yb(20%):Er(2%)/NaYF4, estas nano particulas foram sintetizadas no ?chemestry institute? da Universidade de Victoria ? Canada. A energia the excitação para estas nano particulas esta na região infravermelho proximo (980nm) com bandas de emissão na região the 654nm correspondente às transições 4F9/2  4I15/2 dos íons de Er e emissão na região de 540 nm correspondente às transições 2H11/2, 4S3/2  4I15/2. O processo de ?up-conversion? nestas particulas é um processo não linear envolvendo dois fotôns, isto requer que as nano-particlas sejam excitadas com laser de elevada potência. Nesse sentido, o principal desafio das nano_antenas plasmonicas neste processo de conversão de energia consiste em intensificar o campo elétrico próximo nas diferentes regiões espectroscópicas das nano partículas de Er. Convencionalmente a literatura reporta estruturas de nanholes em filmes de Au e Ag para este propósito com resultados relativamente satisfactorios. No entanto neste tipo de estruturas resulta difícil modular a posição espectroscópica da intensificação de campo próximo, nesse sentido no presente projeto foi proposto a fabricação de nano antenas de Au, de tal forma que seja possible controlar a região espectral da intensificação de campo próximo mudando os parâmetros geométricos das nano antenas. Para definir regras de projeto de fabricação das nano antennas plasmonicas, primeiramente foram realizados cálculos teóricos de nano antenas utilizando o método ?Finite Differential Time Domain? (FDTD). A partir dos resultados teoricos foram definidas as regras de projeto de fabricaçao das nano antenas.

Durante os últimos cinco anos, a nanotecnologia tem atingido avanços significativos em diversas áreas da ciência e tecnologia. Um dos assuntos que está sendo intensamente estudado pela comunidade científica é a intensificação de campo próximo que pode ser aplicada em dispositivos sensores com capacidade de detecção de apenas uma única molécula e em nano-antenas ópticas aplicadas na fabricação de dispositivos plasmônicos. Neste sentido, as principais contribuições da presente trabalho são processos de fabricação de nanoestruturas metálicas e de silício utilizando processos de sistemas auto-organizados. As nano-estruturas regulares de metal e silício foram utilizadas no estudo da intensificação de campo próximo denominada de pontos quentes.
As nanoestruturas metálicas de Au (ouro) foram obtidas a partir do processo de auto-organização de esferas de poliestireno. As esferas de poliestireno serviram como camada sacrificial (molde) para a obtenção de nanoestruturas metálicas organizadas. Sobre as estruturas de Au organizadas foram depositadas moléculas de cristal violeta para serem utilizadas como moléculas de prova (sondas) no monitoramento da existência dos pontos quentes com o auxílio do espalhamento Raman das moléculas. As nanoestruturas de Au possibilitaram uma intensificação do espalhamento Raman devido à intensificação do campo próximo na superfície metálica periódica de Au.
As nanoestruturas e microestruturas de silício foram obtidas a partir da tecnologia de silício poroso. Sobre as estruturas macroporosas de silício foram adsorvidas moléculas de azul de metileno para serem utilizadas como moléculas de prova para monitoramento da intensificação do campo próximo e do efeito SERS no silício. A obtenção da intensificação de campo próximo em silício é uma contribuição completamente inédita, pois este fenômeno devia-se, até o momento, somente a materiais metálicos (nanoestruturas metálicas), mostrando sua existência também no silício.
Adicionalmente, a tecnologia do silício poroso, nos permitiu a fabricação de estruturas regulares de multicamadas com uma distribuição de índice de refração periódica. Estas estruturas periódicas apresentaram comportamento de cristais fotônicos unidimencionais (1D). As principais contribuições deste trabalho estão direcionadas ao aprimoramento dos processos de fabricação de cristais fotônicos 1D e processos de tratamento térmico. Os resultados da analise estrutural através de microscopia óptica de varredura (MEV) e da resposta óptica (refletância ou absorbância) mostraram que dispositivos de cristal fotônico fabricadas em soluções altamente diluídas de HF apresentam melhor desempenho, tendo sido otimizado o processo de fabricação utilizando uma célula de duplo compartimento (célula dupla). Os dispositivos fotônicos 1D mostraram-se sensíveis a processos de recozimento térmico deslocando suas bandas de energia a regiões de menor comprimento de onda devido à mudança do índice de refração das camadas junto a efeitos de expansão e compressão das camadas. Finalmente foi fabricado um cristal fotônico com microcavidade e aplicado no sensoriamento de solventes orgânicos. O estudo da resposta do dispositivo foi através da técnica de reflectância óptica e o dispositivo mostrou sensibilidade da ordem de 2.75x10-2/nm, resultado igual ou superior aos obtidos por equipamentos refractometricos comerciais. Os resultado obtidos no presente trabalho vislumbram grandes possibilidades de aplicação dos cristais fotônicos 1D em silício poroso na fabricação de dispositivos ópticos na tecnologia de silício como filtros, lentes, cavidades ressonantes, guias de ondas grades de difração e dispositivos sensores.

Este projeto aborda o estudo de materiais de baixa dimensionalidade e suas aplicações na fabricação de dispositivos optoeletronicos e sensores de gás. Dentro dessas nano estruturas será objeto de estudo principalmente os filmes de silício poroso (PS). A proposta do projeto envolve:
.- Formação de cristais fotónicos com filmes de PS e sua aplicação na fabricação de filtros ópticos. Destaque principal será dado à fabricação de um emissor de infravermelho altamente seletivo visando à fabricação de um micro espectrômetro infravermelho reduzido a um chip de silício.
.- Estudo da modulação das propriedades ópticas dos filmes de PS visando sua aplicação em dispositivos de modulação óptica. O controle das propriedades ópticas do filme PS será realizado através da dopagem do filme de PS com moléculas fluorescentes, metais de transição e terras raras.
.- Formação de filmes finos e auto organizados com moléculas orgânicas visando a fabricação de sensores de gás, dispositivos eletrocrômicos, cristais fotónicos e dispositivos eletroluminescentes.
	As pesquisas propostas abrangem principalmente técnicas espectroscópicas FTIR, Raman, PL, absorção óptica, XPS, UPS, microscopia óptica, microscopia eletrônica e microscopia de força atômica, ademais técnicas de caracterização elétrica de dispositivos. Todas essas técnicas estão disponíveis no Laboratório de microeletrônica (LME o nosso laboratório), Laboratório de espectroscopia Molecular do instituto de química, Laboratório Nacional de Luz Sincrotron (LNLS).
	A relevância cientifica do projeto esta determinada p

ste projeto aborda o estudo de materiais de baixa dimensionalidade e suas aplicações na fabricação de dispositivos sensores de gás. Dentro dessas nano estruturas será objeto de estudo principalmente os filmes de silício poroso (PS) e nano-compósitos de PS/corantes orgânicos. A proposta do projeto envolve:
.- Estudo da modulação das propriedades ópticas dos filmes de PS visando sua aplicação em dispositivos sensores químicos. O controle das propriedades ópticas do filme PS será realizado através da formação de nano-compósitos de PS/ moléculas fluorescentes e dopagem do filme de PS com, metais de transição e terras raras.
.- Estudo dos mecanismos que promovem o ?quenching? dos filmes de PS dopados e não dopados. Este estudo permitira a fabricação de sensores de gases ópticos visando um dispositivo denominado de nariz óptico, onde utilizando uma matriz de diferentes sustâncias fluorescentes em filmes de PS observaremos o padrão de emissão óptica através de uma câmara de CCD, é dizer, faremos um reconhecimento de padrões (Nariz óptico).
	As pesquisas propostas abrangem principalmente técnicas espectroscópicas FTIR, Raman, PL, absorção óptica, XPS, UPS, microscopia óptica, microscopia eletrônica e microscopia de força atômica, ademais técnicas de caracterização elétrica de dispositivos. Todas essas técnicas estão disponíveis no Laboratório de Microeletrônica (LME), Laboratório de espectroscopia Molecular do instituto de química, Laboratório Nacional de Luz Sincrotron (LNLS).