Repositório Colecção: Teses de Doutoramento/PhD ThesisTeses de Doutoramento/PhD Thesishttps://hdl.handle.net/1822/18902024-03-28T18:19:06Z2024-03-28T18:19:06ZAtividades não-formais na aprendizagem das ciênciasEsteves, Zita Quesadohttps://hdl.handle.net/1822/425622016-09-12T10:48:37Z2016-09-12T10:48:37ZTítulo: Atividades não-formais na aprendizagem das ciências
Autor: Esteves, Zita Quesado
Resumo: A célere mudança do mundo leva a alterações no domínio da educação e em particular na educação em ciência. Esta é atualmente reconhecida como essencial na formação dos cidadãos tornando-os mais capazes de se adaptar e responder a novas situações e desafios.
Neste sentido, as políticas da educação apontam para um ensino interdisciplinar e ativo, onde os alunos devem resolver problemas através de atividades que promovam a pesquisa e a investigação. Propõe-se a formação de cidadãos curiosos, criativos e autónomos.
Propõe-se uma aprendizagem ao longo da vida, o recurso a atividades de caráter menos formal, interagir ativamente no processo de aprendizagem, e englobar toda a comunidade educativa, como forma de melhorar a qualidade de ensino.
Ao longo desta dissertação vai ser demonstrado que os professores e escolas que podem recorrer a diferentes tipos de atividades não formais ou informais reconhecem que atividades de índole investigativa são, apesar de serem das menos realizadas, das mais vantajosas na formação de competências nos alunos. Os motivos apresentados para o não recurso a atividades investigativas e informais passam pela falta de tempo em cumprir os programas e falta de experiência por parte dos alunos. As exigências e a pressão impostas pelos pais e pela sociedade em obter bons resultados nos exames, parecem fazer esquecer que a literacia científica não se constrói apenas com exercícios resolvidos no papel.
No âmbito deste trabalho organizaram-se oficinas de formação de professores sobre o desenvolvimento de projetos de índole cientifico em contexto informal, criando-se materiais de apoio, respondendo às dificuldades mais comuns e contrariando a ideia de que a implementação destes projetos e a participação em atividades informais como feiras de ciência só é possível com bons alunos e em escolas que oferecem condições ideais.
Com as feiras de ciência organizadas no âmbito deste trabalho provou-se que motivaram positivamente a larga maioria dos alunos e concluiu-se que _e possível promover a aprendizagem de conceitos através destas atividades, para alem de desenvolver competências atitudinais e processuais. Seguiu-se a evolução de antigos alunos e verificou-se que as feiras de ciência marcaram positivamente a sua vida enquanto estudantes, na aprendizagem de conceitos e competências que lhes foram úteis na sala de aula e na compreensão de fenómenos do quotidiano. Concluímos assim que é possível integrar atividades de índole investigativa no ensino das ciências no âmbito de atividades de índole informal como as feiras de ciências, contribuindo assim para uma mudança de paradigma e melhoria da qualidade de ensino.
Nos dois primeiros capítulos da dissertação procede-se à contextualização do tema e o seu enquadramento teórico. O capítulo três é dedicado à implementação de diferentes atividades não formais e informais, mais concretamente às atividades de índole investigativa.
No capítulo quatro descreve-se a implementação da oficina de formação de professores e nos capítulos cinco e seis são descritas as feiras de ciência organizadas no âmbito deste trabalho a nível local e nacional, terminando com as conclusões gerais passiveis de retirar no final desta dissertação e sugestões de estudo futuro.; The fast changes occurring in the world lead to a rapid modification in the field of education and in particular in science education. This field is now recognized as essential for the development of individuals aware of the world around them and with skills that allow them to easily adapt and respond to new situations and challenges.
Educational policies target an interdisciplinary and active learning, where students should solve problems through research and teachers should only be responsible for guiding them. They propose the development of individuals with curious, creative, and autonomous throughout life. These policies propose the use of non-formal or informal activities, where students should interact actively on the learning process and should be involved with all the educational community to improve their education.
Despite these indications, throughout this thesis it will be demonstrated that teachers and schools apply different types of non-formal and informal activities and recognize that investigative activities are advantageous for skill development and student learning.
However, these activities are also underdeveloped. The reasons for that are mainly related to both lack of time and students expertise. Due to pressure from parents and society for good grades, schools forget that scientific literacy is not built on only solving problems on paper.
We organized training workshops on science projects development, where we fight some of the difficulties felt by the teachers. We created different resources for practical use and try to combat the myth that implementing science projects in class and participating in science fairs is only possible with excellent students and rich schools.
It was found that participation in the Science Fair motivated positively over 90% of students, contradicting trends that major prizes are needed to lead students to participate.
We also concluded that it is possible to promote the learning of concepts through science fairs, as well to develop attitudinal and procedural skills. The following of former students reinforced this view, since they have shown that science fairs brought them benefits on both learning concepts and acquiring skills useful not only in the classroom but also for understanding everyday phenomena. We conclude that you can integrate activities of investigative nature into science education in the scope of science fairs, thereby contributing to a paradigm shift and better education.
In the first two chapters of the dissertation we present the context of this thesis and the theoretical framework. Chapter three is dedicated to the implementation of different non-formal and informal activities, specifically investigative activities. Chapter four deals with the creation of a training workshop, for teachers, on the development of science projects in the classroom and the organization of science fairs. The fifth and sixth chapters are devoted to science fairs organization at a local and national level, ending with the general conclusions of this work and further study suggestions.
Descrição: Tese de Doutoramento em Ciências - Especialidade em Física
<b>Tipo</b>: doctoralThesis2016-09-12T10:48:37ZEstruturas baseadas em nanocristais de Si1-xGex em dielétricos com vista à aplicação em memóriasVieira, E. M. F.https://hdl.handle.net/1822/247762020-09-01T13:17:24Z2013-07-19T16:12:57ZTítulo: Estruturas baseadas em nanocristais de Si1-xGex em dielétricos com vista à aplicação em memórias
Autor: Vieira, E. M. F.
Resumo: Esta tese é dedicada ao estudo de estruturas baseadas em nanocristais (NCs) de Si1-ₓGe-ₓ (0 ≤ x ≤ 1) em matrizes dielétricas de SiO2 e de Al2O3, produzidos pela técnica de pulverização catódica com magnetrão por radio-frequência.
As condições de deposição e de tratamento térmico foram investigadas no sentido de se obter NCs com boa cristalinidade, tamanho uniforme, elevada densidade e bem distribuídos nas diferentes matrizes, requisitos essenciais para aplicação em componentes de memória de porta flutuante. As propriedades estruturais, morfológicas, óticas, de composição e de armazenamento de carga foram estudadas em detalhe, fazendo uso de um conjunto variado de técnicas. Em particular, a estequiometria da liga de Si1-ₓGeₓdos NCs bem como a sua estrutura cristalina foram estudadas por medidas de espetroscopia de difusão Raman, de difração de raios – X (XRD) e de microscopia eletrónica de transmissão de alta resolução (HRTEM). O tamanho dos NCs e a sua distribuição espacial foram investigados a partir das medidas de difusão de raios – X de incidência rasante para pequenos ângulos (GISAXS), de microscopia eletrónica de varrimento por transmissão (STEM) e também de XRD. Por sua vez, a estrutura e a composição elementar dos filmes produzidos foram investigadas por espetrometria de retrodispersão de Rutherford (RBS), por espetroscopia de fotoeletrões de raios – X (XPS) e por reflectometria de raios – X (XRR). A caraterização morfológica dos filmes foi efetuada recorrendo à técnica de microscopia de força atómica (AFM). Os resultados demonstram que as condições de deposição e de tratamento térmico influenciam fortemente as propriedades dos NCs, nomeadamente o tamanho médio, a distribuição espacial e a composição química. Mais concretamente, os filmes de monocamada de Si1-ₓGeₓ O3 exibem a formação de uma estrutura de mulite (Al6Si2O13) para potências RF inferiores a 70 W. Para o valor de potência de 70 W, observa-se a formação de NCs de SiGe bem distribuídos numa matriz de Al2O3 amorfa e para valores superiores a 70 W, observa-se a formação de NCs de Ge. A correlação destes resultados estruturais com as propriedades elétricas de estruturas MOS do tipo Al2O3/Si1-xGe + Al2O3/ Al2O3 foi investigada. As medidas de capacidade – tensão (C – V) e de condutância – tensão (G – V) revelam janelas de memória de 0,36 V e 0,54 V para um varrimento de tensões de [-2, +2] V, onde o efeito de memória foi atribuído à presença dos NCs de Si1-x Gex e/ou à fase cristalina da alumina. As medidas I-V mostram que a condução de corrente é dominada pelo mecanismo de efeito de túnel do tipo Fowler – Nordheim. Os filmes de multicamada Si1-x Gex Al2 O3 / Al2O3 apresentam a formação de NCs de SiGe (~3 a 5 nm de tamanho) bem distribuídos numa estrutura de multicamada organizada, e mostram luminescência na região do visível (1,8 – 3,2 eV).
Por sua vez, os filmes de multicamada de Si1-x Gex / SiO2 exibem a formação de NCs de SiGe (~ 3 a 10 nm de tamanho) confinados e organizados em multicamadas (com um recozimento a 800 e a 1000 ºC), ficando estes mais isolados uns dos outros com a diminuição da espessura da camada de SiGe. Medidas de fotoluminescência, na região do infravermelho, revelam a existência de duas bandas de emissão, nomeadamente uma banda larga localizada a 0,9 – 1,3 eV, associada a defeitos, e uma banda mais estreita situada entre os 0,7 e os 0,8 eV, compatível com transições relacionadas com NCs de Si1-x Gex. As propriedades de armazenamento e retenção de carga das estruturas MOS do tipo SiO2 / Si1-xGex / SiO2 foram também investigadas. É interessante notar que apesar destas estruturas após deposição serem amorfas, estas exibem boas capacidades de armazenamento de carga (janelas de memória até 6 V no varrimento de tensões de [-14, +14] V, e bons tempos de retenção de carga. O recozimento das estruturas a 1000ºC em ambiente de N2 leva à redução significativa das características de memória.; This thesis is devoted to study the production of Si1-ₓGe-ₓ (0 ≤ x ≤ 1)nanocrystals (NCs) by RF magnetron sputtering technique in SiO2 and Al2O3 dielectric matrices.
The deposition conditions and annealing treatments were investigated in order to obtain NCs with good crystallinity, uniform size, high density and well distributed in the different matrices, that are essential requirements for floating gate memory applications. The structural, morphological, optical, composition and charge trapping properties were studied in detail by making use of several comparative techniques. In particular, the stoichiometry of Si1-ₓGe-ₓNCs as well as its crystalline structure were studied by Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD) and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). The NCs size and its spatial arrangement were investigated from grazing incident small angle X – ray scattering (GISAXS), scanning transmission electron microscopy (STEM) and also by XRD. In turn, the structural and elemental composition investigations of the films have been undertaken by Rutherford backscattering spectrometry (RBS), X - ray photoelectron spectroscopy (XPS) and by X - ray reflectometry (XRR). Morphological characterizations of the films were performed using the atomic force microscopy (AFM). The results show that the deposition and annealing conditions strongly influence the properties of the NCs, namely the average size, the spatial arrangement and chemical composition. More specifically, monolayer films of Si1-ₓGe-ₓ + Al2 O3 show mullite (Al6Si2O13) formation for RF powers below 70W. For a RF power value of 70W, we observe the formation of
SiGe NCs well distributed in an amorphous Al2O3 matrix and for higher powers, we observe the formation of Ge NCs. The correlation of these structural results with the electrical properties of Al2O3/Si1-xGe + Al2O3/ Al2O3 MOS structures was investigated. Capacitance - voltage (C - V) and conductance - voltage (G - V) show memory windows of 0.36 V and 0.54 V at a sweep voltage of [-2, +2] V, were the memory effect has been attributed to the presence of the Si1-x Gex NCs and / or the alumina crystallinity. I–V measurements show that the carrier’s transport in a Si1-xGex/Al2O3 structure is dominated by the Fowler–Nordheim tunneling mechanism. Si1-x Gex Al2 O3 / Al2O3 multilayer films show the formation of SiGe NCs (~3 to 5 nm in size) well distributed in an organized multilayer structure and they show luminescence in the visible region (1.8 - 3.2 eV). In turn, the Si1-x Gex / SiO2 multilayer films exhibit the formation of well confined SiGe NCs (~ 5 to 10 nm in size) organized in a multilayer structure (with an annealing at 800 and 1000 º C). The NCs are more isolated from each other with the decreasing of the SiGe layer thickness. Photoluminescence measurements, in the infrared region, reveal the existence of two emission bands, namely a broadband located at 0.9 to 1.3 eV associated with defects, and a narrower band located between the 0.7 and 0.8 eV consistent with transitions related to Si1-x Gex NCs. Charge trapping properties and charge retention – time of the SiO2 / Si1-xGex / SiO2 MOS structures were also investigated. Interestingly, the as-grown and amorphous tri-layered structures show good charge trapping capabilities (memory window until 6V at a sweep voltage of [-14, +14] V), and good retention times. The annealing at 1000 ºC, under nitrogen (N2) ambient, leads to a significantly reduction of the memory characteristics.
Descrição: Tese de doutoramento em Ciências
(especialidade em Física)
<b>Tipo</b>: doctoralThesis2013-07-19T16:12:57ZEstudo estrutural de Nanocristais de Si1-xGex embebidos em matrizes dieléctricasPinto, S. R. C.https://hdl.handle.net/1822/122782016-04-13T09:38:47Z2011-04-29T16:57:16ZTítulo: Estudo estrutural de Nanocristais de Si1-xGex embebidos em matrizes dieléctricas
Autor: Pinto, S. R. C.
Resumo: Neste trabalho, apresenta-se um estudo da produção de nanocristais (NCs) e o estudo
das propriedades estruturais de semicondutores imersos em matrizes dieléctricas .
Os NCs foram produzidos pela técnica de pulverização catódica por rádio-frequência,
posteriormente, foram sujeitos a tratamentos térmicos em diferentes atmosferas e temperaturas.
Estudámos as condições que levam à formação de NCs dispersos de forma
homogénea na matriz, de tamanho uniforme, elevada densidade e boa cristalinidade,
e a ordem na posição dos NCs nas diferentes matrizes.
As amostras com NCs embebidos em matrizes dieléctricas foram caracterizados
pelas técnicas de difracção de raios-X (XRD), difusão de raios-X de incidência rasante
(GISAXS), espectroscopia Raman, microscopia de transmissão electrónica de
alta resolução (HRTEM) e espectrometria de Retrodifusão de Rutherford (RBS). O
tamanho dos NCs, distribuição de tamanhos e arranjo espacial foram investigados a
partir de medidas GISAXS e TEM, enquanto o acesso à composição química dos NCs
e à sua estrutura cristalina foi obtido por medidas Raman, HRTEM e difracção de
raios - X. Os resultados demonstram que o tamanho médio e a composição química
dos NCs são fortemente sensíveis aos parâmetros de deposição e tratamentos térmicos
utilizados.
Verifica-se que, em amostras com NCs de Ge de tamanhos grandes em matriz
de Al2O3 podem ficar sujeitos a tensões de compressão. Atribuímos este efeito à
existência da matriz de Al2O3, que em certas condições pode cristalizar e induzir
tensões nos cristais durante o processo de aquecimento/arrefecimento. Em alguns
casos, durante o tratamento térmico o Ge oxida e forma-se GeOx, que sendo volátil
desaparece do filme. Assim, a rede ordenada, previamente formada, dá origem a uma
rede de espaços vazios de tamanho nanométrico.
Relativamente ao sistema Si1−xGex, observa-se a formação de NCs com diferentes
fracções de Ge (0 < x ≤ 1), de tamanho pequeno, com uma estreita distribuição
de tamanhos e bem distribuídos na matriz de SiO2. Neste estudo, é apresentado a
variação da frequência Raman dos modos vibracionais Ge-Ge e Si-Ge, em função da
composição da liga.
Foram produzidas estruturas de multicamadas de SiO2/Si1−xGex+SiO2/SiO2, as
quais foram submetidas a tratamentos térmicos a temperaturas entre 700 oC a 1000
oC. Verificamos que, para temperaturas maiores que 700 oC, a estrutura de multicamadas é destruída pela difusão dos átomos de Ge. Para temperaturas de 700 oC, os
NCs formados apresentam estrutura cristalina de boa qualidade.
É efectuada uma comparação da ordem e do arranjo espacial dos NCs formados
nas diferentes matrizes a partir dos resultados de medidas GISAXS. Observa-se a formação
espontânea de nanopartículas de Ge ordenadas regularmente. Até agora, estas
estruturas foram observadas e explicadas satisfatoriamente apenas em sistemas crescidos
em matrizes cristalinas. Os resultados aqui apresentados mostram a possibilidade
de formação em matrizes amorfas, com QDs de Ge auto-organizados numa rede de
tridimensional do tipo BCt. Os fenómenos observados são explicados por modelo simplificado
de Monte-Carlo. Os resultados mostram, também, a influência da correlação
espacial nas propriedades físicas das nanopartículas formadas, tais como as suas dimensões
e propriedades de comportamento colectivo resultante de um arranjo regular
espacial dos QDs.; The work described in this dissertation is devoted to study the structural properties
of semiconductor nanocrystals (NCs) embedded in dielectric matrices.NCs were
produced by RF-magnetron sputtering technique, and subsequently heat treatments
in different atmospheres and temperatures. The aim was to find the optimal experimental
conditions that promote the formation of NCs with uniform size, high density
and good crystallinity, and we study the arragement of the NCs in different matrix.
NCs embedded in dielectric matrices were characterized by X-ray diffraction (XRD),
grazing incident small angle X-ray scattering (GISAXS), Raman spectroscopy, high
resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and Rutherford backscattering
spectrometry. The NCs size, size distribution and the spatial arrangement were determined
by GISAXS and TEM measurements, while Raman, HRTEM and diffraction
measurements provided the access to the NCs composition and crystalline structure.
The results of analysis show that the average size of NCs and the composition of
Si1−xGex heterostructure are very sensitive to the parameters of deposition and annealing
procedures.
We verified that Ge NCs in Al2O3 matrix are under compressive stress for big
sizes. In fact, under determinate conditions alumina matrix can crystallize and promote
the stress in crystal during the heating/cooling. In some cases, during the thermal
treatment the Ge oxidizes and forms GeO, which is volatile and disappears from the
film. The previously formed lattice remained as a lattice of nanometric voids.
For Si1−xGex system, we observed the formation of NCs with different Ge composition
(0 < x ≤ 1), small sizes, narrow size distribution and well distributed in SiO2
matrix. The study of Raman frequencies of the vibrational modes Ge-Ge and Si-Ge as
a function of alloy composition is presented.
SiO2/Si1−xGex+SiO2/SiO2 multilayer structures were produced. The multilayers
were annealed at temperature ranging between 700 oC to 1000 oC. It is shown that
for temperatures higher than 700 oC the multilayers structures are destroyed to the
diffusion, but the NCs formed still present good cristallinity.
Finally, a comparison of the order and the spatial arrangement of NCs formed in
different matrices was performed by GISAXS analysis. Especially interesting is the
observation of spontaneous formation of regularly ordered Ge nanoparticles. Until
now, such structures were observed and explained satisfactorily only in crystalline
systems. Our results show the possibility of Ge NCs formation in amorphous matrices where the structure and ordering mechanisms are completely differents. The observed
phenomena are explained and simulated by a simple Monte-Carlo model. The results
also show the influence of spatial correlation on physical properties of formed NCs such
as their sizes and very interesting collective behavior properties induced by a regular
spatial arrangement.
Descrição: Tese de doutoramento em Ciências (área de especialização em Física)
<b>Tipo</b>: doctoralThesis2011-04-29T16:57:16Z