Repositório Colecção: Teses de Doutoramento
https://hdl.handle.net/1822/1915
Teses de Doutoramento2024-03-28T20:46:09ZImmuno-field-effect transistor platforms based on 2D materials for early detection of biomarkers of ischemic stroke
https://hdl.handle.net/1822/84719
Título: Immuno-field-effect transistor platforms based on 2D materials for early detection of biomarkers of ischemic stroke
Autor: Silva, Patrícia Daniela Cabral da
Resumo: A deteção precoce de biomarcadores clinicamente relevantes é um dos principais desafios no diagnostico
de doenças. Os avanços mais recentes na microeletrónica abriram caminho para o desenvolvimento de
biossensores eletrónicos, em que é possível alcançar dispositivos de elevada sensibilidade e velocidade.
Em particular, os biossensores baseados em transístores de efeito de campo têm potencial para a
miniaturização e integração em processos de fabricação eletrónica, ao mesmo tempo permitindo deteção
rápida, paralela e sem marcação. Este potencial pode ser explorado para desenvolver ferramentas de
diagnostico mais eficazes para a avaliação de pacientes de AVC isquémico. O AVC isquémico é uma das
maiores causas de morte e incapacidade no mundo e a aplicação de tratamento é condicionada pelo
curto espaço de tempo em que o tratamento com o Ativador do plasminogénio tecidual pode ser aplicado.
Assim sendo, o desenvolvimento de um biossensor para analise rápida do estado do paciente pode
proporcionar estratificação para a aplicação terapêutica atempada, podendo aumentar o número de
pacientes tratados e reduzindo o risco de transformação hemorrágica nos pacientes tratados.
Com esta problemática em mente, o trabalho apresentado focou-se no desenvolvimento de transístores
de efeito de campo baseados em materiais 2D para a deteção de biomarcadores relevantes para a
estratificação de pacientes com AVC isquémico. Transístores de efeito de campo com grafeno como
material do canal foram testados e otimizados para interação com biomoléculas. A transferência de
grafeno e passivação dos contactos foi otimizada para fornecer transístores de efeito de campo
compatíveis com a funcionalização de superfícies e bio reconhecimento de proteínas. A funcionalização
do grafeno foi estudada, garantindo a consistência do método, a estabilidade dos anticorpos imobilizados
e a redução de ligações não-especificas. Os transístores funcionalizados foram testados com proteínas
standard para estudar o mecanismo de deteção. Os testes realizados com as proteínas biomarcadoras
de AVC isquémico, Matrix Metallopeptidase 9 e Fibronectina celular, mostraram potencial para a deteção
simultânea dos biomarcadores graças à ausência de interação cruzada entre eles. A exposição dos
dispositivos à matriz biológica de interesse revelou que é possível detetar especificamente os
biomarcadores em amostras de soro diluído, no entanto em amostras mais complexas algumas
limitações surgem devido à ocorrência de eventos de ligação não-especifica. Além disso, a
reprodutibilidade dos transístores mesmo não sendo perfeita (11% intra e 26% inter variabilidade) revela
um grande potencial para a continuação do desenvolvimento desta tecnologia para a deteção rápida de
biomarcadores de AVC isquémico para a estratificação de pacientes.; Early detection of clinically relevant biomarkers (proteins, DNA, or others) is nowadays considered the
holy grail of diagnostics for modern medicine. The recent advancements in micro-electronics have opened
the path for bioelectronics-based sensors, where devices of greatly improved sensitivity and speed of
detection are achieved. In particular, biosensors based on field-effect transistors hold the potential for
miniaturization and integration in electronic manufacturing processes while allowing parallel label-free
sensing and fast response times. This potential can be explored to develop practical diagnostic tools for
evaluating ischemic stroke patients. Acute ischemic stroke is a leading cause of death and disability
worldwide, and treatment is still conditioned due to the narrow time window of intravenous thrombolysis
with tissue plasminogen activator (tPA). As such, developing a biosensing tool for fast analysis of the
condition of ischemic stroke patients can provide stratification for therapy application, potentially
increasing the number of treated patients and reducing the risk of hemorrhagic transformation.
With this in mind, the focus of this work was the development of 2D material-based field-effect transistors
for the detection of biomarkers clinically relevant to the stratification of ischemic stroke patients. Field effect transistors using graphene as the channel material were tested and optimized for selective
biomolecular recognition. Graphene transfer and contact passivation were optimized using clean-room
processes to provide field-effect transistors compatible with surface functionalization and bio-recognition.
Graphene functionalization was studied to ensure a consistent method for stable immobilization of probe
antibodies and reduction of non-specific binding. The functionalized graphene field-effect transistors were
tested against standard protein biomarkers to access the detection mechanism. The tests performed with
stroke protein biomarkers, Matrix Metallopeptidase 9, and cellular Fibronectin showed great potential for
their simultaneous detection due to the absence of cross-reactivity between these proteins.
The graphene field-effect transistors exposure to the interest biological sample matrix (human serum)
revealed that specific detection could be achieved in diluted serum samples. However, some limitations
arise in more complex samples (raw serum) due to non-specific binding events. Moreover, although not
perfect, the reproducibility of the measurements (11% intra-variability and 26% inter-variability) shows the
great potential to further develop this technology for fast and label-free detection of ischemic stroke-related
biomarkers patient stratification.
Descrição: Programa doutoral em Physics
<b>Tipo</b>: doctoralThesis2023-05-25T12:19:04ZMicrofabricação de transístores de efeito de campo de grafeno para aplicações em biossensores
https://hdl.handle.net/1822/56464
Título: Microfabricação de transístores de efeito de campo de grafeno para aplicações em biossensores
Autor: Junior, George Luiz Machado
Resumo: O objetivo desta tese é produzir e caracterizar dispositivos de grafeno em larga escala, abrindo
caminho a uma possível industrialização futura. Foram fabricados dois tipos de dispositivos:
transístores de estado sólido, com um filme fino dielétrico como contato elétrico da porta,
GFET (Graphene Field Effect Transistors) e de porta líquida, usando uma solução eletrolítica
como dielétrico da porta, EGFET (Electrolyte Gated Field Effect Transistor). Todos os
dispositivos estudados baseiam-se numa monocamada de carbono, arranjada numa estrutura de
favo-de-mel com um átomo de espessura, denominada de grafeno. Toda a fabricação foi
desenvolvida num ambiente de sala limpa (cleanroom), no Laboratório Ibérico Internacional
de Nanotecnologia, em Braga, Portugal (International Iberian Nanotechnology Laboratory –
INL).
Foi estudada a deposição do grafeno em reatores de parede fria e de parede quente. No reator
de parede fria, aqueceram-se os substratos sobre um prato de grafite a ~950 ºC, e, no reator de
parede quente, alcançaram-se temperaturas de 1080 ºC durante a deposição. Os resultados,
quanto à qualidade estrutural e eletrónica do grafeno, provaram ser superiores no reator de
parede quente. A qualidade do processo de produção de dispositivos de grafeno depende
também criticamente do processo de transferência do grafeno do substrato catalisador para o
substrato final. Daí a atenção dada ao estudo deste processo nesta tese. No ambiente de sala
limpa, otimizou-se a transferência do grafeno por dissolução do cobre para alcançar
conformidade elevada na cobertura de grafeno em áreas de 15 × 15 cm2, com o intuito de
direcionar a fabricação de dispositivos de grafeno para níveis industriais. O grafeno depositado
e transferido nesta tese tem uma relação de picos na espetroscopia Raman máxima de
I2D/IG = ~2 e mínima de ID/IG = 0.05, valores típicos do grafeno monocamada. Estudou-se a
transferência por eletrólise para obter reutilização do substrato catalisador de cobre para
deposição do grafeno.
Ensaios de qualidade do grafeno depositado, transferido para substratos de óxido de silício e
litograficamente estruturado na forma de transístores de efeito de campo, consistiram na
medição das mobilidades eletrónicas entre os contactos do dreno e da fonte, moduladas pelo
campo elétrico aplicado no contacto da porta. Em transístores de porta sólida fabricados pelo
processo padrão estabelecido na fabricação dos GFET, a mobilidade eletrónica medida foi de
µh = 1921 cm2/Vs e de µe = 1608 cm2/Vs, para buracos e eletrões, respetivamente, em
transístores com resistência de folha de ~1 kΩ. Tendo como alvo os dispositivos biossensores, fabricou-se transístores de porta líquida
(EGFET) com o elétrodo recuado para o contato da porta fabricado no plano do substrato,
tendo-se medido mobilidades eletrónicas de µh = 1833 cm2/Vs e de µe = 1843 cm2/Vs. Para
análise dos dispositivos com porta eletrolítica fez-se uso de um modelo de transporte ressonante
de impurezas no grafeno, para calcular a capacitância da EDL (Electric Double Layer) que
forma o contato dielétrico da porta.
A primeira análise biossensora foi dirigida à deteção da microcistina, onde foi detetada uma
concentração mínima de [C]min = 5 µg/mL.
No âmbito da saúde, realizou-se a deteção de um marcador da transformação hemorrágica da
isquemia cerebral, a neuroserpina com EGFET (ImunoFET) encontrando-se [C]min = 10 pg/mL.
Para outro marcador da isquemia cerebral fez-se deteção do MMP-9 com [C]min = 100 pg/mL.
No âmbito de deteção de DNA, o limite de deteção dos sensores de transístor de grafeno
alcançou valores bem para além do estado da arte de [C]min = 1 aM, com discriminação de SNP,
Polimorfismo de nucleotídeo único (Single nucleotide polymorphism) e com uma sensibilidade
de 24 mV/dec.; El objetivo de esta tesis es producir y caracterizar dispositivos de grafeno a gran escala,
abriendo camino a una posible industrialización futura. Se han fabricado dos tipos de
dispositivos: transistores de estado sólido, con una película fina dieléctrica como contacto
eléctrico de la puerta, GFET (Graphene Field Effect Transistors) y de puerta líquida, usando
una solución electrolítica como dieléctrico de la puerta, EGFET (Electrolyte Gated Field Effect
transistor). Todos los dispositivos estudiados se basan en una monocapa de carbono, dispuesta
en una estructura de panal con un átomo de espesor, denominado grafeno. Toda la fabricación
se desarrolló en un ambiente de sala limpia (cleanroom), el Laboratorio Ibérico Internacional
de Nanotecnología en Braga, Portugal (International Iberian Nanotechnology Laboratory –
INL).
Se estudió la deposición del grafeno en reactores de pared fría y de pared caliente. En el reactor
de pared fría, se calentaron los sustratos sobre un plato de grafito a ~ 950 ºC, y en el reactor de
pared caliente, se alcanzaron temperaturas de 1080 ºC durante la deposición. Los resultados,
en cuanto a la calidad estructural y electrónica del grafeno, resultaron ser superiores en el
reactor de pared caliente que en el de pared fría. La calidad del proceso de producción de
dispositivos de grafeno también depende de forma crítica del proceso de transferencia del
grafeno del sustrato catalizador al sustrato final. De ahí la atención dada al estudio de este
proceso en la presente tesis. En el ambiente de sala limpia, se optimizó la transferencia del
grafeno por disolución del cobre para lograr un cumplimiento elevado en la cobertura en áreas
de 15 × 15 cm2 con el propósito de dirigir la fabricación de dispositivos de grafeno a niveles
industriales. El grafeno depositado y transferido en esta tesis tiene una relación de picos
máxima en la espetroscopía Raman de I2D/IG = ~2 y mínima para ID/IG = 0.05, lo que es típico
del grafeno monocapa. Se estudió la transferencia por electrólisis para obtener reutilización del
sustrato catalizador de cobre para deposición del grafeno.
Los ensayos de calidad del grafeno depositado, transferidos a sustratos de óxido de silicio y
litográficamente estructurados en forma de transistores de efecto de campo, consistieron en la
medición de las movilidades electrónicas entre los contactos del drenaje y de la fuente,
modulados por el campo eléctrico aplicado en el contacto de la puerta. En transistores de puerta
sólida fabricados por el proceso estándar establecido en la fabricación de los GFET, la
movilidad electrónica medida fue de µh = 1921 cm2/Vs y µe = 1608 cm2/Vs, para agujeros y
electrones, respectivamente, en transistores con resistencia de hoja de ~1 kΩ. En el caso de los dispositivos biosensores, se fabricaron transistores de puerta líquida (EGFET)
con el electrodo recortado para el contacto de la puerta fabricada en el plano del sustrato,
habiéndose medido movilidades electrónicas µh = 1833 cm2/Vs y µe = 1843 cm2/Vs. Para el
análisis de los dispositivos con puerta electrolítica se utilizó un modelo de transporte resonante
de impurezas en el grafeno, para calcular la capacitancia de la EDL (Electric Double Layer)
que forma el contacto dieléctrico de la puerta.
El primer análisis biosensorial fue dirigido a la detección de la microcistina, donde se detectó
una concentración mínima de [C]min = 5 µg/mL.
En el ámbito de la salud, se realizó la detección de un marcador de la transformación
hemorrágica de la isquemia cerebral, la neuroserpina con EGFET (InmunoFET) encontrándose
[C]min = 10 pg/mL. Para otro marcador de la isquemia cerebral se realizó la detección del MMP-
9 con [C]min = 100 pg/mL.
En el ámbito de detección de ADN, el límite de detección de los sensores de transistor de
grafeno alcanzó valores bastante más allá del estado del arte de [C]min = 1 aM, con
discriminación de SNP y con una sensibilidad de 24 mV/dec.; The purpose of this thesis is to produce and characterize graphene devices in large scale,
focusing on their industrialization and commercialization. Two types of devices were
produced: solid state transistors, having a dielectric thin film as the gate electric contact (GFET,
Graphene Field Effect Transistor) and liquid gate FET using an electrolytic solution as the gate
dielectric, EGFET (Electrolyte Gated Field Effect Transistor). All the devices analysed are
based on a carbon monolayer arranged on a honeycomb structure with one atom of thickness
called graphene. Its production was done in the cleanroom facilities at the International Iberian
Nanotechnology Laboratory in Braga, Portugal.
The graphene deposition was studied in both cold and hot wall reactors. The samples were
heated at ~950 ºC in the cold wall reactor during the deposition, and in the hot wall reactor the
samples temperature reached 1080 ºC. The best graphene characteristics, in terms of structural
quality and electronic mobility, were achieved in the depositions within the hot wall reactor.
The production quality of graphene devices has also a critical dependency on the transfer
process of graphene from catalyst substrate to final substrate. Hence, the study of this process
has a high focus in this thesis. In cleanroom, the graphene transferring by copper dissolution
was studied with the aim of achieving high conformity of graphene coverage in 15 × 15 cm2
substrate areas. The objective is to analyse and select the steps of the process transferable for
industrial levels. The Raman spectroscopy characterization of the graphene after deposition
and transferring presents peak ratios I2D/IG of ~2 as maximum and 0.05 as minimum, in
agreement with a typical graphene monolayer. The electrolysis transfer process was studied to
achieve the reutilization of copper catalyst substrates for graphene deposition.
Electronic mobility is a measure of graphene deposition and transferring quality. To
characterize this measurand, graphene FET were lithographed in silicon oxide substrate. The
electronic mobility between the drain and source contacts was extracted of the transfer curve
modulated by the gate voltage. For the GFET produced by the standard CVD recipe established
in this thesis the electronic mobility was measured to be µh = 1921 cm2/Vs and
µe = 1608 cm2/Vs, for holes and electrons, respectively, and its sheet resistance was around
~1 kΩ.
Having as the final objective to produce biosensors based on GFET, EGFET were produced
with planar gate electrode on the substrate. The electronic mobility was µh = 1833 cm2/Vs and
µe = 1843 cm2/Vs. For extraction of the mobility properties, a model of resonant transport of impurities in graphene was used to determine the capacitance of the Electric Double Layer
(EDL), which forms the gate dielectric contact.
The first biosensor was set to detect microcystin, and the minimum concentration it was able
to measure was[C]min = 5 µg/mL.
Concerning health applications, the detection of markers of haemorrhagic transformation of
cerebral ischemia was performed. Neuroserpin in EGFET (ImunoFET) was detected at
[C]min = 10 pg/mL. The second marker was MMP-9 and its detection level was
[C]min = 100 pg/mL.
For DNA analysis, the detection limit of EGFET sensors, [C]min = 1 aM, reached values well
beyond the state-of-the-art, with SNP (Single nucleotide polymorphism) discrimination and a
sensitivity of 24 mV/dec.
Descrição: Tese de Doutoramento em Engenharia de Materiais
<b>Tipo</b>: doctoralThesis2018-10-22T08:15:40ZPhotonics of graphene and other two-dimensional materials heterostructures
https://hdl.handle.net/1822/56302
Título: Photonics of graphene and other two-dimensional materials heterostructures
Autor: Chaves, André Jorge Carvalho
Resumo: Essa tese aborda o tema da interação da luz com materiais bidimensionais. Ela iniciase
com uma revisão do estado da arte dos materiais bidimensionais, focando-se, em
particular, naqueles que são mais promissores para o uso em nanofotónica: grafeno,
monocamadas de dicalcogenetos de metais de transição e nitreto de boro hexagonal.
De seguida discutimos as propriedades ópticas desses materiais e nas suas quasipartículas/
modos coletivos: plasmões, fonões, excitões e polaritões.
O objectivo primeiro desta tese é descrever microscopicamente a interação da luz
com os portadores de carga nestes novos materiais bidimensionais. Para isso é desenvolvido
em detalhe o formalismo das equações semicondutoras de Bloch. Também
são derivadas as expressões para a susceptibilidade e a condutividade óptica do
grafeno utilizando a fórmula de Mermin. Esses resultados são utilizados ao longo da
tese.
As equações semicondutoras de Bloch são utilizadas para tratar o sistema de uma
folha de grafeno com bombeamento óptico. Após um rápido período transiente, a
distribuição eletrónica assumirá uma configuração diferente do equilíbrio termodinâmico
e manter-se-á estável enquanto a luz de bombeamento persistir. Nessa
situação derivamos a nova susceptibilidade eletrónica a que um segundo pulso de
teste irá estar sujeito. A partir da susceptibilidade calculamos a relação de dispersão
dos plasmões, a qual se revela fortemente anisotrópica. Finalmente encontramos
fórmulas semianalíticas para a susceptibilitade, condutividade óptica e relação de
dispersão do plasmão que dependem da intensidade, frequência e polarização do
bombeamento.
Seguidamente tratamos o problema de excitões em monocamadas de dicalcogenetos
de metais de transição. A partir das equações semicondutoras de Bloch deduzimos
a equação de Bethe-Salpeter. As soluções da parte homógenea correspondem
às funções de onda dos excitões e às suas energias. A partir da solução da parte não
homogénea podemos calcular as propriedades ópticas. É utilizado o Hamiltoniano
de Dirac em 2D com um termo de massa para tratar dos excitões no ponto K da zona
de Brillouin. Para o ponto T utilizamos o modelo de tight-binding de três bandas e um cut-off no espaço dos momentos que permite que a função de onda seja decomposta
numa série de Fourier. A condutividade óptica de MoS2, MoSe2, WS2 e
WSe2 é obtida e comparada com dados experimentais. Também deduzimos a fórmula
de Elliot para o caso bidimensional: uma equação analítica útil para se obter a
condutividade óptica devida às contribuições dos excitões.
Após estudar dois problemas microscópicos, voltamos a nossa atenção para um
problema macroscópico: a passagem de luz por uma superrede desordenada de dielétricos
alternados com folhas de grafeno. A presença de desordem tem como consequência
o aparecimento da localização de Anderson. Em sistemas unidimensionais
a localização de Anderson é caracterizada pelo comprimento de localização, que
pode ser obtido a partir do expoente de Lyapunov. É utilizado o formalismo da matriz
de transferência para se calcular numericamente o comprimento de localização.
Também obtemos uma aproximação analítica para desordem fraca que coincide com
o cálculo numérico. Também é estudado a propagação de luz na forma de modos
evanescentes sustentados pela presença de grafeno.; This thesis describes the interaction of light with two-dimensional materials. It starts
with a revision of the state of the art of the physics of two-dimensional materials. We
focus on the most promising materials used in nanophotonics: graphene, monolayers
of transition metal dichalcogenides, and hexagonal boron nitride. The optical
properties of these materials and their quasiparticles/collective modes are discussed.
They encompass plasmons, phonons, excitons, and polaritons.
The first objective of this thesis is to describe microscopically the interaction of
light with the charge carriers in these new two-dimensional materials. To this end,
the formalism of the semiconductor Bloch equations is derived in detail. Furthermore,
the suceptibility and the optical conductivity of graphene are derived using
Mermin’s formula. These results are used throughout the thesis.
The Bloch semiconductor equations are first applied to a system consisting of a
sheet of graphene under optical pumping. After a rapid transient period, the electronic
distribution will assume a new configuration different from that in thermodynamical
equilibrium. This new electronic distribution will remain stable while the
pumping radiation persists. In this situation we derive the new electronic susceptibility
that a probe pulse with a different frequency sees. From the suceptibility we calculate
the plasmon dispersion relation, that will be strongly anisotropic. Finally we
find semi-analytic formulas for the susceptibility, optical conductivity, and plasmon
dispersion relation that depend on the pump intensity, frequency, and polarization
of the optical pump.
Next, we deal with the problem of excitons in monolayers of transition metals
dichalcogenides. From the semiconductor Bloch equations we derive the Bethe-
Salpeter equation. The solution of the homogeneous part corresponds to the exciton
wavefunctions and their energies. From the solution of the inhomogeneous part we
calculate the optical conductivity. We used the 2D Dirac Hamiltonian with a mass
term to deal with the excitons in the K point of the Brillouin zone. For the T point
we use the tight-binding model with three bands and a cut-off in the momentum
space that allows to decompose the wavefunction into a Fourier series. The optical conductivity of MoS2, MoSe2, WS2, and WSe2 is obtained and compared with the
experimental data. We also derive the Elliot formula for the bidimensional case: an
useful analytic equation for the optical conductivity contributions due to the excitons.
After studying two microscopic problems, we turn our attention to a macroscopic
one: the passage of light through a disordered superlattice of dielectrics alternating
with graphene sheets. The presence of disorder implies the onset of Anderson localization.
In one-dimensional systems Anderson localization can be characterized by
the localization length, that can be obtained from the Lyapunov exponent. We use
the transfer matrix formalism to numerically calculate the localization length and so
characterize the Anderson localization in those superlattices. Also, we obtain an analytical
approximation for weak disorder that describes the numerical data with a very
good accuracy. In addition it is studied the propagation of light through evanescent
modes sustained by the presence of graphene.
Descrição: Tese de Doutoramento em Ciências (especialidade em Física)
<b>Tipo</b>: doctoralThesis2018-10-18T07:48:15ZCharacterization of self-organization processes in complex networks
https://hdl.handle.net/1822/41856
Título: Characterization of self-organization processes in complex networks
Autor: Pinheiro, Flávio Luis Portas
Resumo: A estrutura de interações sociais numa população é muitas vezes modelada através de uma rede complexa
que representa os indivíduos e respetivas relações sociais. Estas estruturas são conhecidas por
afetarem de forma fundamental os processos dinâmicos que suportam. A caracterização desse efeito
é, no entanto, uma tarefa complicada pois o tratamento matemático destes sistemas requer o estudo
de um espaço de estados de grande dimensão, limitando a aplicabilidade de abordagens analíticas e
numéricas. Esta tese teve como objetivo desenvolver métodos, inspirados na Física Estatística dos
Sistemas Fora do Equilíbrio, com o fim de caracterizar processos dinâmicos em redes complexas.
Nesta tese demonstramos que a estrutura de uma população naturalmente induz a emergência de
padrões de correlações entre indivíduos que partilham traços semelhantes, um fenómeno também
identificado em estudos empíricos. Estes padrões de correlações são independentes do tipo de processo
dinâmico considerado, do tipo de informação que se propaga sendo observados numa classe
alargada de redes complexas. Mostramos também que propriedades como o clustering e a densidade
de ligações da rede têm um papel fundamental nos padrões de correlações emergentes.
Outra questão fundamental diz respeito à relação entre as dinâmicas local e a global em redes sociais.
De facto, as redes sociais afetam de forma tão fundamental os processos dinâmicos que suportam que
em muitas situações o comportamento coletivo observado não tem qualquer relação aparente com a
dinâmica local na sua génese. Este é um problema comum a muitos sistemas complexos e tipicamente
associado a fenómenos emergentes e de auto-organização. Neste trabalho esta questão é explorada
no contexto do problema da Cooperação e no âmbito da Teoria de Jogos Evolutiva. Para esse fim
introduzimos uma quantidade que é estimada numericamente e a que damos o nome de Average
Gradient of Selection (AGOS). Esta quantidade, relaciona de forma efetiva as dinâmicas local e global,
possibilitando a descrição do processo de auto-organização em populações estruturadas.
Através do AGOS mostramos que quando as interações entre indivíduos são descritas através do
Dilema do Prisioneiro, uma metáfora popular no estudo da cooperação, a dinâmica coletiva emergente
é sensível à forma da rede de interações entre os indivíduos. Em particular, demonstramos que quando
a rede é homogénea (heterogénea) no que respeita à distribuição de grau o Dilema do Prisioneiro
é transformado numa dinâmica coletiva de coexistência (coordenação). Mostramos ainda que esta
transformação depende da pressão de seleção (associada ao grau de determinismo no processo de
decisão dos indivíduos) e de taxa de mutações (a adoção espontânea de um novo comportamento por
parte de um individuo) consideradas. A relação entre estas duas varáveis pode também resultar em
alterações de regimes dinâmicos cujo o resultado pode, em casos particulares, resultar no desfecho
drástico para a evolução da cooperação.
Finalmente, fazemos uso do AGOS para caracterizar a dinâmica evolutiva da cooperação no caso em
que a estrutura co-evolve. Demonstramos que na presença de uma estrutura social a dinâmica global
é semelhante à de um jogo de coordenação entre N-pessoas, cujas características dependem de forma sensível das escalas de tempo relativas entre a evolução de comportamentos e a evolução da estrutura.
Uma vez mais, a dinâmica global emergente contrasta com o Dilema do Prisioneiro que caracteriza
as interações locais entre os indivíduos.
Acreditamos que o AGOS, que pode ser facilmente aplicado no estudo de outros processos dinâmicos,
proporciona uma contribuição significativa para o melhor entendimento de Sistemas Complexos,
em particular aqueles em que as interações entre os elementos constituintes são bem definidos através
uma rede complexa.; The structure of social interactions in a population is often modeled by means of a complex network
representing individuals and their social ties. These structures are known to fundamentally impact the
processes they support. However, the characterization of how structure impacts a dynamical process is
by no means an easy task. Indeed, the large configuration space spanned tends to limit the systematic
applicability of numerical methods, while analytical treatments have failed to provide a good description
of the system dynamics. The aim of this thesis was to develop methods inspired in the Statistical
Physics of Systems far from equilibrium to characterize dynamical processes on complex networks.
In this thesis we show how the structure of a population naturally induces the emergence of correlations
between individuals that share similar traits, which is in accordance empirical evidence. These,
so called, ’peer-influence” correlation patterns are independent of the type of dynamical process under
consideration, the type of information being spread while being ubiquitous among a wide variety
of network topologies. We have also find evidence that central to the ’peer-influence” patterns are
topological features such as the clustering and the sparsity of the underlying network of interactions.
Another fundamental problem concerns the relationship between local and global dynamics in social
networks. Indeed, social networks affect in such a fundamental way the dynamics of the population
they support that the collective, population-wide behavior that one observes often bears no relation to
the individual processes it stems from. This is in fact a common problem among many Complex Systems
typically associated with self-organization and emerging phenomena. Here we study this issue
in the context of the problem of Cooperation and in the realm of Evolutionary Game Theory. To that
end we introduce a numerically estimated mean-field quantity that we call the Average Gradient of Selection
(AGOS). This quantity is able to effectively connect the local and global dynamics, providing
a way to track the self-organization of cooperators and defectors in networked populations.
With the AGOS we show that when individuals engage in a Prisoner’s Dilemma, a popular cooperation
metaphor, the emerging collective dynamics depends on the shape of the underlying network
of interactions. In particular, we show that degree homogeneous (heterogeneous) networks the Prisoner’s
Dilemma is transformed into a collective coexistence (coordination) dynamics, contrasting
with the defector dominance of the local dynamics. We further show that the extent to which these
emergent phenomena are observed in structured populations is conditional on the selection pressure
(the uncertainty associated with the decision making) and the rate of mutations (the spontaneously
adoption of new behaviors by individuals) under consideration. Interestingly, the interplay between
selection pressure and mutation rates can lead to drastic regime shifts in the evolution of cooperation.
Finally, we make use of the AGOS to characterize the evolutionary dynamics of cooperation in
the case of a co-evolving social structure. We demonstrate that in an adaptive social structure the
population-wide dynamics resembles that of a N-person coordination game, whose characteristics depend
sensitively on the relative time-scales between behavioral and network co-evolution. Once more, the resulting collective dynamics contrasts with the two-person Prisoner’s Dilemma that characterizes
how individuals interact locally.
We argue that the AGOS, which can be readily applied to other dynamical contexts and processes,
provides a significant contribution to a better understanding of Complex Systems involving populations
in which who interacts with whom is well-defined by a complex network.
Descrição: Programa Doutoral em Física (MAP-fis)
<b>Tipo</b>: doctoralThesisElaboration et caractérisation des nanocristaux de Zn F O enfouis 1-x x dans des diélectriques pour des applications en spin-électronique
https://hdl.handle.net/1822/40432
Título: Elaboration et caractérisation des nanocristaux de Zn F O enfouis 1-x x dans des diélectriques pour des applications en spin-électronique
Autor: Karzazi, Ouiame
Resumo: Depuis les études théoriques de Dietl qui ont prédit que les αnTMO (où TM est un métal de
transition tel que Co ou Mn) seraient ferromagnétiques auMdessus de la température ambianteL
beaucoup dGefforts ont été consacrés à lGétude de ces composésN CGest dans ce contexte que sGinscrit
cette thè se dont lGobjectif principal est d’étudier la croissance et la caractérisation des nanocristaux
(NCs) à base de αnTMO enfouis dans des diélectriques à forte permittivité “highMk” par la technique
de l’ablation laser pulsé (PLD)N
Tout d’abordL l’effet de dopage par le Mn sur les propriétés structurales et magnétiques des
poudres de αnMnO a été étudiéN Les résultats révè lent une substitution des ions MnβK dans la matrice
de αnO jusquGà U% de dopage et l’existence d’une interaction paramagnétique dans les échantillonsN
Par la suiteL des couches minces de αnPNλXMnPNPβO ont été élaborées par la technique de PLD sous
une atmosphè re dGoxygè ne afin d’étudier lGinfluence des porteurs de charge libres sur les propriétés
des couches minces de αnMnO et déduire les moyens efficaces permettant de mieux contr9ler
l’intégration des défautsN Les caractérisations structurales et électriques des films déposés révè lent
que la taille des grains et la concentration des porteurs de charge sont considérablement influencées
par la pression de l’oxygè ne durant la croissanceN Les propriétés magnétiques et les calculs de la
structure électronique soulignent que la présence des sites lacunaires sur les sites de lGoxygè ne
augmente le magnétisme dans ces filmsN
Par la suiteL des multicouches amorphes bien définies de αnMnO et d’AlβOγ ont été élaborées
par la technique de PLD et leur recuit a conduit à la formation des NCs de αnMnO enfouis dans la
matrice d’AlβOγ avec une structure wurtzite texturée suivant l’axe cN La corrélation entre la
morphologieL les contraintesL la taille et la distribution des NCs formés aprè s le recuit et le rapport
R entre lGépaisseur des couches de αnMnO et celles d’AlβOγ dans la structure multicouche déposée a
été mise en évidence et la possibilité de créer des mémoires flash à base des NCs de αnMnO enfouis
dans lGalumine a été prouvéeN EnsuiteL L’origine du ferromagnétisme dans des couches minces de
αnCoO a été étudiée et a été attribué à la substitution des ions de αn par les ions de CoL à travers le
mécanisme dGéchange pMdN Cette origine a été prouvée par les caractérisations expérimentales et les
calculs ab inito réalisés sur ces systè mesN
Les propriétés structurales des nanostructures de αnQMxFxO ont été étudiées avec la méthode de
diffusion centrale des rayons ) en incidence rasante (GISA)S) qui permet dGobtenir des informations
plus précises sur leurs structuresL leurs morphologies et leurs distributions spatiales.; Since the theoretical work of DietlL predicting that the αnTMO (where TM is a transition metal
such as Co or Mn) is ferromagnetic above room temperatureL an extensive research activity has been
devoted to the study on transitionMmetalMalloyed αnO in the past few yearsN It is in this context was
launched this thesis with the objective to study the growth and characterization of nanocrystals
αnTMO (NCs)L buried in BhighMkB dielectric by the pulsed laser ablation deposition technique (PLD)N
F irst of allL the doping effect by Mn on structural and magnetic properties of the bulk αnO was
studiedN The results indicate a substitution of MnβK ions in the αnO matrix up to U% of doping and
the existence of a paramagnetic interaction in the samplesN ThenL thin layers of αnPNλXMnPNPβO were
deposited on glass substrate by PLD techniqueL under an oxygen atmosphere in order to study the
influence of free charge carriers on the properties of thin films and deduce the way how to control
the integration of defects on the αnMnO filmsN The structural and electrical characterization of the
deposited films showed that the grain size and the concentration of charge carriers are considerably
influenced by the oxygen pressure during the growthN The magnetic properties and calculations of
the electronic structure point out that the presence of vacancies on the oxygen sites increases the
magnetism in those filmsN
After thatL wellMdefined amorphous multilayers structures of αnMnO and AlβOγ have been
grown by the PLD techniqueN Annealing led to the formation of αnMnO NCs embedded on AlβOγ
matrix with a well textured wurtzite structure along the c axisN The correlation between the
morphologyL stressL size and distribution of NC) formed after annealing and the thickness ratio R
from as deposited layers of αnMnO and AlβOγ has been demonstrated and the ability to create flash
memories from αnMnO NCs buried in alumina matrix has been provenN NextL the origin of
ferromagnetism in thin layers αnCoO has been studied and has been attributed to the substitution of
αn ions by ions of CoL through the pMd exchange mechanismL proven by experimental characterization
and the abMinito calculations made on these systemsN
The structural properties of different nanostructures αnQM xF xO were studied as well with the
method of GrazingMIncidence SmallMAngle )Mray Scattering (GISA)S) that provides more detailed
information on their structureL morphology and spatial distributions.; Desde os trabalhos te7ricos de DietlL que previam que o αnTMO (em que TM representa um
metal de transiçã o tal como Co ou Mn) apresentasse propriedades ferromagnéticas acima da
temperatura ambienteL foram realizadas ao longo dos últimos anos extensas atividades de
investigaçã o sobre a liga do metal de transiçã o αnON Esta tese insereMse neste contexo e tem como
objetivo principal estudar filmes de nanocristais de αnTMO (NCs) embebidos numa matriz de
constante dielétrica elevadaL produzidos através da técnica de ablaçã o por laser pulsado (PLD)N
Em primeiro lugar foi estudado o efeito de dopagem por Mn sobre as propriedades estruturais
e magnéticas do s7lido αnON Os resultados indicam uma substituiçã o de iões MnβK na matriz de αnO
até U% de dopagem e a exist0 ncia de uma interacçã o paramagnética nas amostrasN Em seguidaL finas
camadas de αnPNλXMnPNPβO foram depositadas no substrato de vidro por meio da técnica de PLDL
numa atmosfera de oxigénioL com o objetivo de estudar a influ0 ncia de portadores de carga livres
sobre as propriedades de filmes finos e deduzir a forma de como controlar a integraçã o de defeitos
nos filmes αnMnON A caracterizaçã o estrutural e eléctrica dos filmes depositados mostraram que o
tamanho do grã o e a concentraçã o de portadores de carga sã o consideravelmente influenciados pela
pressã o da atmosfera de oxigénio durante o crescimentoN As propriedades magnéticas e cálculos da
estrutura eletr7nica salientamque a exist0 ncia de locais desocupados correspondentes às posições
dos átomos de oxigénio aumentam o magnetismo destes filmesN
Seguidamente foram produzidas estruturas bem definidas de multicamadas amorfas de αnMnO
e AlβOγ pela técnica de PLDN O tratamento térmico levou à formaçã o de NCs de αnMnO incorporado
na matriz de AlβOγ L com uma boa textura e com a estrutura de wurtzite ao longo do eixo cN Foi
demonstrado a exist0 ncia de uma correlaçã o entre a morfologiaL tensã oL tamanho e distribuiçã o dos
NCsLobtido ap7s tratamento térmicoL e a razã o da espessura R das camadas depositadas de αnMnO
e AlβOγL bem como a capacidade de criar mem7rias instantâneas de αnMnO NCs incorporado na
matriz de alumina foi também comprovadaN Em seguidaL foi estudado a origem do ferromagnetismo
em camadas finas de αnCo e atribu2do à substituiçã o de iões de αn por meio de iões de CoL através
do mecanismo de troca de pMdL comprovada por caracterizaçã o experimental e ab inito cálculos
aplicados nestes sistemasN
As propriedades estruturais de diferentes nanoestruturas αnQMxFxO foram estudadasL
recorrendo também ao método de raios ) a baixos ângulos em incid0 ncia rasante (GISA)S) que
fornece informações mais detalhadas sobre a estruturaL morfologiaedistribuiçã o espacial.
Descrição: Tese de Doutoramento em Ciências - Especialidade em Física
<b>Tipo</b>: doctoralThesis