Implantação de nitrogenio em sistemas baseados em ferro : estudo da dureza e sua relação com a concentração de N

Apresente tese trata sobre a implantação de nitrogênio em sistemas baseados em ferro. Duas técnicas de nitretação são utilizadas, plasma pulsado e feixe iônico por canhão de íons. Os parâmetros de nitretação são otimizados com a finalidade de obter um melhoramento na dureza superficial destes sistemas, isto é, em algumas dezenas de mícron. Tal melhoramento é relacionado com a concentração de nitrogênio em profundidade correspondente a uma sucessão de nitretos formados. A estabilidade destas fases é observada qualitativamente pela dependência com os processos de nitretação. A formação de camadas de nitretos é estudada a partir de um modelo de difusão e determinadas através de caracterização por raios-X, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS). A dureza em profundidade, de amostras submetidas a diferentes processos de implante de nitrogênio, foi determinada mediante nanoindentação. Amostras portadoras de um alto grau de dureza foram empregadas: aço AISI 4140. O polimento destas amostras, para caracterização em diferentes profundidades, foi processado mediante iesputteringl, com íons de argônio. Os efeitos da erosão foram estudados com auxilio de um perfilômetro. Coeficientes de difusão de nitrogênio em diferentes tipos de nitretos foram determinados e a uma correlação entre a dureza e concentração de nitrogênio em profundidade foi verificada explicitamente .

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Estudo estrutural de nanossistemas semicondudores e semicondutores implantados por difração de raios-X de n-feixes

Neste trabalho, a difração múltipla (DM) de raios-X associada com as vantagens da radiação síncrotron configura-se como uma microssonda de alta resolução e é utilizada para obter relevantes contribuições ao estudo das propriedades estruturais de materiais semicondutores, apresentem-se eles como nanosistemas epitaxiais ou implantados com íons. O estudo e detecção de reflexões híbridas (interação camada epitaxial/substrato) coerentes (CHR) negativas nas varreduras Renninger (RS) do substrato é uma das contribuições desta tese. O mapeamento ?:f da condição de difração da reflexão secundária (113)(111) mostra que a CHR negativa que aparece é, na realidade, a interferência destrutiva entre a reflexão secundária da rede da camada e a reflexão primária do substrato. Ressalta-se aqui importância da medida detalhada da condição de difração de reflexões secundárias adequadas da DM. O uso do caso especial da DM denominado difração Bragg-superfície (BSD), cuja reflexão secundária se propaga paralelamente à superfície dos monocristais ou interfaces nas heteroestruturas, quando envolve reflexões secundárias que são sensíveis à simetria da rede cristalina, constitui outra contribuição da tese. O pico na RS para o substrato (GaAs), que representa o caso de quatro-feixes (000)(004)(022)(022) e que se separa em dois picos na RS da camada GaInP por distorção tetragonal foi utilizado como uma nova ferramenta no estudo de deformações tetragonais, mesmo para camadas epitaxiais finas. Além disso, a presença de distorções ortorrômbicas ou até mesmo monoclínicas, pode ser investigada pela medida dos dois pares de picos secundários (022)(022) e (202)(202), também presentes na mesma RS da camada ternária. Outras contribuições desta tese estão na aplicação da DM no estudo de amostras de SiO2/Si(001) implantadas com íons Fe+, que passaram pelo processo de cristalização epitaxial induzida por feixe de íons (IBIEC) e, finalmente, por tratamento térmico. Mapeamentos ?:f do pico BSD (000)(002)(111) forneceram parâmetros de rede e tensões nas direções perpendiculares e paralelas com relação à superfície, para as regiões tensionadas provocadas por formação das nanopartículas da fase ?-FeSi2 produzidas por IBIEC. Para outro conjunto de amostras semelhantes exceto pela ausência do óxido a interessante formação de nanopartículas da fase ?-FeSi2 sob a forma de placas orientadas na amostra IBIEC, que foram observadas por microscopia e confirmadas por curvas de rocking (002) na condição de DM para os picos BSD (111) e (111) e mapeamentos ?:f, provocou tensões anisotrópicas no plano da superfície da amostra IBIEC. Formas esféricas das nanopartículas também detectadas por microscopia introduzem tensões isotrópicas e a caracterização estrutural das amostras foi realizada da mesma maneira mencionada acima. Medidas dos mapeamentos do espaço recíproco (RSM) com reflexões simétricas e assimétricas foram importante para confirmar os resultados obtidos por MD das amostras implantadas, por permitir observar a variação de composição lateral e periódica existente na camada de GaInP, assim como, por confirmar o efeito da altura dos pontos quânticos de InP sobre a camada ternária, no nível de tensão provocado por eles na camada de recobrimento desses pontos, ou seja, quanto maior a altura maior o nível de tensão na camada.

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Formação e estabilidade térmica de nanocavidades produzidas pela implantação de He em Si

Nesta tese são apresentados os resultados de um estudo sistemático à respeito da formação e evolução térmica de nanocavidades de He em Si cristalino. O efeito da formação de nanocavidades de He no aprisionamento de impurezas em Si foi estudado inicialmente em distintas condições de fluência, temperatura e direção de implantação. Após as implantações, as amostras foram tratadas termicamente a 800°C e analisadas por espectroscopia de retroespalhamento Rutherford em condição de canalização (RBS/C), análise de detecção por recuo elástico (ERDA), espectroscopia por emissão de íons secundários (SIMS) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Os resultados experimentais mostraram que implantações de He a temperatura ambiente (Ti=Tamb) levam à formação de defeitos numa região intermediária entre a superfície e a camada onde as bolhas se formam (Rp/2), sendo 5x1015He+cm-2 a fluência mínima para a observação do fenômeno. Sua origem foi atribuída à formação de pequenas cavidades nesta região. O mesmo não é observado em implantações a Ti=350°C devido ao efeito do recozimento dinâmico dos defeitos. Estes resultados mostraram a necessidade de um estudo mais profundo a respeito dos efeitos da temperatura de implantação (Ti) na formação de bolhas em Si. Este estudo foi feito a partir de implantações de He no intervalo de temperatura entre -196°C e 350°C, sendo a fluência e a energia de implantação de 2x1016He+cm-2 e 40keV respectivamente. O efeito da proximidade à superfície foi estudado com implantações a 15keV. As amostras foram analisadas pelas mesmas técnicas referidas anteriormente. Para o caso de implantações feitas a 40keV com Ti<Tamb bolhas planas são formadas após recozimento a 400°C por 600s. Recozimentos a 800°C durante o mesmo tempo levam ao colapso das estruturas planas e à formação de um sistema de cavidades esféricas cujas características são dependentes dos estágios iniciais de implantação. No intervalo onde Ti>Tamb pequenas bolhas são formadas durante a implantação juntamente com defeitos estendidos do tipo {311}. A formação destes defeitos é atribuida ao mecanismo de formação das bolhas baseado na emissão de átomos auto-intersticiais de Si. Distintos regimes são observados após recozimento entre 400°C e 800°C por 600s. Para Ti≤250°C observa-se a dissolução do sistema de cavidades e defeitos devido à interação mutua entre os sistemas. Para Ti>250°C cavidades esféricas e anéis de discordância são observados após recozimentos a 800°C. Finalmente, se observou que a energia de implantação (15keV) não afeta a morfologia do sistema de bolhas e defeitos formados. Porém a perda de He é cinco vezes menor que no caso de amostras implantadas a 40 keV na mesma fluência. Um mecanismo baseado na difusão aumentada por danos de irradiação é sugerido neste trabalho.

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Síntese e caracterização de nanocristais de PbSe em substrato SOI

Nesta dissertação são apresentados os resultados da síntese de nanocristais (NCs) de PbSe em substratos de Si e SOI. O material foi produzido pela técnica de Síntese por Feixe de Íons (IBS) seguido de tratamentos térmicos em alta temperatura. As amostras foram caracterizadas pelas técnicas de Retroespalhamento Rutherford (RBS) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM). O estudo abrangeu amostras implantadas apenas com Pb ou com Se, ou amostras sequencialmente implantadas com Pb e Se. As implantações foram realizadas com substrato aquecido a Ti = 400 °C para evitar amorfização, variandose parâmetros de implantação como fluência, energia e ordem de implantação (primeiro Se ou Pb). Os recozimentos foram realizados a diferentes temperaturas e tempos. Os resultados foram discutidos em termos da retenção dos íons e da reação de formação do PbSe. Os principais resultados podem ser resumidos da seguinte forma. Durante as implantações ocorrem perdas tanto de Pb como de Se, atribuídas a processos de difusão auxiliada por irradiação. Nas amostras implantadas com apenas um elemento não ocorrem perdas durante os tratamentos térmicos. Contudo, nas amostras implantadas com Pb e Se, ocorrem perdas tanto de Pb como de Se. Este fenômeno é discutido considerando difusão pela matriz e evaporação pela superfície. O aumento das perdas foi associado à reação de formação do composto PbSe. Esta reação produz nanocristais, formando discordâncias devido ao desajuste de rede cristalina nas interfaces PbSe/Si. As perdas de Pb ocorrem preferencialmente através de difusão em discordâncias. Diferentemente do Pb, os átomos de Se reagem de diferentes formas com a matriz, permanecendo retidos no substrato. As Distribuições em Tamanho de NCs (DTNs) possuem forma característica e pouca variação de forma em função do tempo, não sendo observado crescimento competitivo. Estes resultados podem ser interpretados com base em argumentos termodinâmicos. A estabilidade do sistema NCs de PbSe em matriz de Si ocorre devido a minimização da energia de superfície, através da formação de interfaces coerentes, semi-coerentes e de estruturas caroço-casca (caroço de PbSe e casca de Se) com interfaces Se/Si. Para tanto a reação de síntese do PbSe produz NCs com uma coleção de orientações específicas em relação a estrutura cristalina do Si. Análises das micrografias de alta resolução com técnicas de Transformada de Fourier demonstram que muitos destes NCs são deformados plasticamente para diminuir o desajuste com o Si. O presente estudo mostra que é possível produzir NCs de PbSe termicamente estáveis e cristalograficamente orientados em relação a estrutura cristalina do Si. A baixa entalpia de formação do PbSe e baixa solubilidade dos átomos de Pb e de Se favorece a síntese dos NCs. Contudo, o comportamento químico e cinético do sistema é complexo devido as diferentes interações Pb-Si e Se-Si.

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Propriedades opticas e eletricas de nanoestruturas de Si

Resumo: Analisamos amostras de óxido de silício rico em silício (SRSO) obtidas por um sistema de deposição química de vapor com ressonância ciclotrônica de elétrons (ECR-CVD). Propriedades estruturais, de composição, ópticas e elétricas foram estudadas por transformada de Fourier de absorção no infravermelho (FTIR), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), espectroscopia de retro-espalhamento Rutherford (RBS), fotoluminescência (PL), elipsometria e medidas de capacitância-tensão (C-V). Através do ajuste dos índices de refração em função do fluxo de O2 para uma longa faixa de razões de fluxo, pudemos notar que o sistema ECR-CVD permite obter filmes com alto controle desses índices de refração. Isto sugere indiretamente a possibilidade do controle das características ópticas e elétricas dos nossos filmes, pois essas características, assim como o índice de refração, são dependentes da concentração de silício nos filmes. Na região de concentração de interesse em nosso trabalho, a razão de concentração atômica O/Si obtida por RBS correlaciona-se linearmente com o índice de refração. As intensidades e posições dos picos de PL e as curvas de histereses observadas através de medidas C-V, após os tratamentos térmicos, dependem das razões de fluxo O2/SiH4 utilizadas na deposição. Observamos que temperatura e tempo de tratamento térmico têm forte influência nas propriedades de PL das amostras selecionadas. No entanto, a influência destes parâmetros sobre as propriedades elétricas (C-V) não é tão significativa, principalmente para temperaturas de tratamentos acima de 1000 ºC. As propriedades de PL e C-V puderam ser relacionadas com a presença de nanoestruturas de silício imersas nos filmes SRSO, sendo que defeitos do tipo NBOHC e ODC, típicos do óxido de Si, também têm influência sobre essas propriedades. Comparando os dados de PL e FTIR de nossas amostras, bem como dados da literatura, concluímos que a cristalinidade das nanoestruturas de Si tem forte influência sobre a intensidade de PL. Por outro lado, a cristalinidade influencia muito pouco na capacidade de armazenamento de carga, como verificado pelas curvas de histerese nas medidas C-V. Assim, as características ópticas e elétricas de nossas amostras estão associadas principalmente à presença de nanoestruturas de silício dentro da matriz de óxido de Si. Nossas amostras demonstram alta potencialidade para aplicação em dispositivos optoeletrônicos e nanoeletrônico.

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Formação de nanopartículas de Sn e PbSe via implantação iônica em Si(100)

O silício (Si) é o material mais utilizado na fabricação de dispositivos microeletrônicos e fotovoltaicos devido às suas excelentes propriedades físicas e ao alto grau de desenvolvimento das tecnologias de produção alcançadas pela indústria. Conseqüentemente, materiais compatíveis com o Si são alternativas importantes para ampliar o desempenho e a funcionalidade das próximas gerações de dispositivos. O principal objetivo desse trabalho foi estudar sistematicamente a formação de nanopartículas de Sn e de PbSe via implantação iônica seguida de tratamentos térmicos (síntese por feixe de íons), em substrato de silício com orientação (100). Três tipos de substratos foram considerados: substrato sem defeitos, substratos contendo sistemas de bolhas de Ne e substratos contendo cavidades vazias. A formação de nanopartículas de estanho (Sn) foi tomada como caso modelo para otimizar os parâmetros do processo de síntese por feixe de íons. O sistema composto PbSe é interessante por ser semicondutor de gap direto, sendo potencialmente útil para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos e fotovoltaicos integrados com o Si. A caracterização estrutural das amostras foi realizada através de técnicas de análise por feixes de íons, como o Retroespalhamento Rutherford (RBS), RBS em direção canalizada, detecção de partículas por recuo elástico (ERD) e através da técnica de Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM). Os principais pontos estudados foram: (i) os efeitos sobre o processo de síntese de nanoppartículas causados pela amorfização da matriz durante a implantação de íons de Sn+, Pb+ e Se+; (ii) o desenvolvimento de estratégias de como evitar a amorfização através do aquecimento do substrato; (iii) a perda de material implantado durante tratamentos térmicos de alta temperatura realizados após a implantação; (iv) a decomposição de cavidades e de bolhas e das próprias nanopartículas inerente ao auto-bombardeamento iônico durante as implantações; (v) o processo de nucleação de precipitados em sítios heterogêneos como discordâncias, cavidades e bolhas; (vi) e a formação de nanopartículas em diferentes tipos de substrato. Através da implantação de elementos muito pouco solúveis em uma matriz, espera-se a formação de nanopartículas dispersas de uma segunda fase pura (sem reagir com elementos da matriz). Neste sentido, os resultados obtidos são interessantes. Primeiro, no caso do Sn, apresentamos evidências da formação de estruturas nanoscópicas de alta estabilidade térmica, afetando o processo de nucleação e formação das fases α-Sn (semicondutora) ou β-Sn (metálica) usuais para sistemas massivos. Obtivemos a formação preferencial da fase β-Sn, e não obtivemos evidência da formação de ligas Sn-Si ou a fase α-Sn que podem ser obtidas através de processos de não equilíbrio como a co-deposição por epitaxia de feixe molecular. Por outro lado, no caso da co-implantação com íons de Pb+ e Se+, os resultados mostram ser possível formar sistemas dispersos de nanopartículas de PbSe com estequiometria e estruturas previstas em diagrama de equilíbrio para sistemas massivos. Por fim, a presença de cavidades e bolhas, apesar de influenciar na distribuição em tamanho das nanopartículas, não representa uma vantagem específica como centro de segregação e nucleação preferencial de impurezas no Si. Isso contradiz conceitos da literatura referentes ao aprisionamento de impurezas bolhas ou cavidades, usualmente considerados como técnicas para purificação de matriz, e aplicados na confecção de dispositivos microeletrônicos e fotovoltaicos.

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Análise de materiais nanoestruturados utilizando feixes de íons

A miniaturização de dispositivos tecnológicos levou à percepção de novas classes de efeitos devidos ao con namento quântico e à mudança na proporção entre número de átomos presentes na superfície e no volume de estruturas que atingem a escala nanométrica, levando à noção de nanociência e nanotecnologia. Dentre os desa os impostos por essas áreas emergentes encontram-se os desa os para os métodos analíticos, em particular para os métodos baseados em feixes de íons, que tiveram um papel fundamental na tecnologia do silício. O uso de feixes de íons para a caracterização de nanoestruturas não é muito difundido devido a limitações na resolução espacial e no dano causado pelos íons energéticos incidentes nas nanoestruturas. Nesta tese é apresentado o estado da arte das aplicações da análise por feixes de íons na nanotecnologia e são descritos avanços direcionados à adoção de métodos analíticos de feixes de íons para as nanociências. Serão abordados os principais métodos de per lometria com alta resolução em profundidade, em especí co a per lometria utilizando reações nucleares com ressonâncias estreitas em suas curvas de seção de choque (RNRA, do inglês Resonant Nuclear Reaction Analysis ) e espalhamento de íons de energias intermediárias (MEIS do inglês Medium Energy Ion Scattering ). Uma vez que os modelos convencionais, baseados em uma aproximação Gaussiana, não são adequados para descrever o espectro de espalhamento de íons correspondente a estruturas nanométricas, neste trabalho foram desenvolvidos modelos que descrevem adequadamente os processos de perda de energia dos íons na matéria, viabilizando a adoção sistemática de espalhamento de íons de energias intermediárias para a análise de nanoestruturas. Aplica ções recentes de RNRA e MEIS para eletrodos de porta metálicos e dielétricos com alta constante dielétrica sendo incorporados à tecnologia MOSFET atual são apresentadas como avaliação dos métodos.

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Crescimento térmico de filmes dielétricos sobre SiC e caracterização das estruturas formadas

Na presente tese, foi investigado o crescimento térmico de filmes dielétricos (óxido de silício e oxinitreto de silício) sobre carbeto de silício. Além disso, os efeitos da irradiação iônica do SiC antes de sua oxidação, com o intuito de acelerar a taxa de crescimento do filme de SiO2, também foram investigados. A tese foi dividida em quatro diferentes etapas. Na primeira, foram investigados os estágios iniciais da oxidação térmica do SiC: mudanças no ambiente químico dos átomos de Si foram observadas após sucessivas etapas de oxidação térmica de uma lâmina de SiC. A partir desses resultados, em conjunto com a análise composicional da primeira camada atômica da amostra, acompanhou-se a evolução do processo de oxidação nesses estágios iniciais. Na etapa seguinte, foram utilizadas as técnicas de traçagem isotópica e análise por reação nuclear com ressonância estreita na curva de seção de choque na investigação do mecanismo e etapa limitante do crescimento térmico de filmes de SiO2 sobre SiC. Nesse estudo, compararam-se os resultados obtidos de amostras de óxidos termicamente crescidos sobre Si e sobre SiC. Na terceira etapa, foram investigados os efeitos da irradiação iônica do SiC antes de sua oxidação nas características finais da estrutura formada. Finalmente, comparam-se os resultados da oxinitretação térmica de estruturas SiO2/SiC e SiO2/Si utilizando dois diferentes gases: NO e N2O.

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Nanopartículas de ródio encapsuladas em sílica utilizando líquidos iônicos e aplicação em reações de hidrogenação

Neste trabalho descreve-se uma rota de preparação de nanopartículas de ródio (4 nm diâmetro médio) dispersas no líquido iônico tetrafluoroborato de 1-n-butil-3-metilimidazólio (BMI.BF4) e suportadas na rede de sílica pelos métodos sol-gel e grafting. Na preparação pelo método sol-gel (ácido ou básico) obteve-se materiais com diferentes quantidades de líquido iônico encapsulado e diferente morfologia da matriz de sílica. A quantidade de ródio suportado nos xerogéis resultantes foi (0,1% m/m). A condição ácida de preparação resultou em sílica com maior quantidade de líquido iônico encapsulado e com diâmetro de poro maior, podendo ser considerada como responsável pela atividade catalítica observada na hidrogenação de alcenos. A alta quantidade de líquido iônico incorporado pode ser importante para garantir a estabilidade das nanopartículas. O material catalítico preparado pelo método sol-gel pode ser recuperado por decantação e reutilizado por 10 vezes sem perda da atividade catalítica. As micrografias obtidas por microscopia eletrônica de transmissão do catalisador isolado depois de dez recargas mostraram que o material recuperado não apresentou sinais aparentes de aglomeração. A combinação (líquido iônico encapsulado/nanopartículas de ródio/sílica) exibe um excelente efeito sinérgico que aumenta a atividade catalítica e a robustez das nanopartículas de ródio para hidrogenação. Todos os sistemas suportados preparados foram mais ativos do que nanopartículas isoladas.

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Nucleação e crescimento de grãos em filmes de Al nanoestruturados

A eletromigração é um dos principais problemas que limitam a vida útil dos dispositivos microeletrônicos. Normalmente o que se utiliza na indústria são interconexões feitas de filmes finos de Al e/ou Cu com estrutura colunar. Em muitos casos o efeito da eletromigração leva ao rompimento destas interconexões metálicas. Uma alternativa para reduzir ou até mesmo eliminar este problema seria a utilização de interconexões com estrutura diferente da colunar. Tomando este aspecto como motivação, desenvolveu-se, neste trabalho, um estudo detalhado de um filme de Al tipo mosaico formado por grãos nanoscópicos. Foram analisadas as interfaces e fronteiras de grãos, bem como o comportamento do filme quando submetido a diferentes tratamentos térmicos. Para isso foram crescidos filmes de Al com estrutura tipo colunar e tipo mosaico. Ambos foram depositados sobre óxido de Si utilizando a técnica de sputtering, porém o processo de deposição de cada um desses filmes se deu de maneira distinta. O tipo colunar foi crescido da maneira usual de deposição contínua de filmes finos. A formação da estrutura tipo mosaico é o resultado da deposição de uma camada seguida de um intervalo de tempo em que o substrato não ficou sob a ação do plasma. Após este tempo a deposição foi retomada. Este processo é repetido até obter-se o número desejado de camadas. As temperaturas de recozimento variaram de 300 a 500oC e o tempo foi fixado em uma hora. A técnica de Retroespalhamento Rutherford (RBS) foi utilizada para identificar os componentes das amostras estudadas, a espessura da camada de SiO2 e do filme de Al e as contaminações presentes. A técnica de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) permitiu caracterizar com riqueza de detalhes fronteiras de grãos, interfaces e superfície das amostras. Também foi possível medir a espessura do filme de Al e da camada de óxido, assim como medir o tamanho dos grãos presentes nas amostras estudadas. Os resultados obtidos com estas análises mostraram que os dois tipos de filmes respondem de maneira diferente aos tratamentos térmicos. O filme com estrutura de grãos colunares não apresentou alteração significativa na largura média de suas colunas, que permaneceram com valores da ordem de 80 nm, mesmo depois de recozido a 500oC por uma hora. No entanto, os grãos de Al presentes no filme tipo mosaico parecem obedecer a dois mecanismos distintos de crescimento. Para temperaturas de recozimento até 462oC, os grãos aumentaram tridimensionalmente de tamanho, sendo caracterizados por seus diâmetros efetivos que variaram de 27 a 54 nm. Esta etapa do crescimento foi analisada considerando-se a teoria clássica de crescimento de grãos descrita por uma lei temporal de natureza parabólica. Para temperaturas acima deste valor, observou-se um crescimento abrupto. A 462oC o filme perdeu a característica de mosaico e passou a apresentar grãos com estrutura tendendo a colunar, atingindo altura próxima à espessura do filme (200 nm). A 475oC os grãos cresceram lateralmente, aumentando de 60 nm para valores médios da ordem de 900 nm. Este tipo de crescimento anômalo de grãos também foi verificado para temperatura de recozimento de 500oC e discutido em termos da forma e da velocidade de movimento das fronteiras de grão. Uma contribuição importante desta dissertação foi caracterizar e entender o processo de se obter, a partir de grãos nanométricos, grãos grandes com comprimentos da ordem de micrômetros. Este estudo pode contribuir significativamente na busca de uma solução para o problema da eletromigração em interconectores de circuitos integrados bem como em outras áreas. Um exemplo seria a aplicação dos filmes tipo mosaico em revestimentos duros e superduros.

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Caracterização de nanoestruturas através da técnica MEIS

Espalhamento de íons de energia intermediária (MEIS) é uma técnica analítica de feixe de íons que pode determinar quantitativamente composições elbmentares e perfis I de profundidade com resolução subnanométrica. Dessa maneira, MEIS pode ser uma poderosa ferramenta para caracterização de nanopartículas, em partichlar das suas composições internas, o que é dificilmente obtido por qualquer outra técn~ca analítica. Para esse propósito, foi desenvolvido uma simulação Monte Cado de espec~ros de MEIS que considera qualquer geometria e distribuição de tamanhos das nanoestfuturas. Esse método também considera a assimetria da distribuição da perda de ene~gia devido a uma única colisão violenta, como a que ocorre no evento de retroespalhaménto. Usando esse método, estudamos a influência da geometria das nanopartículas, den~idade superficial, distribuição de tamanhos e forma de linha da perda de energia nos espectros 2D (energia) I e 3D (energia e ângulo) de MEIS. Os principais resultados desse estudo podem ser resumidos como segre: i) observamos que a influência da distribuição da perda de energia no espectro de MEIS é significativa apenas para nanoestruturas pequenas (diâmetro < 10 nm) mas a especificação da geometria correta das estruturas é significativa para todos os tamanhos; ii) negligenciar a assimetria da perda de energia devido à colisão de retroespalhamento pode resultar na interpretação de uma falsa distribuição de tamanhos para nanopartículas pequenas; iii) simulações para um exemplo hipotético de pequenas nanopartículas esféricas de ZnSe mostram que a técnica MEIS é capaz de realizar perfil de profundidade dentro das nano- I estruturas. Finalmente, medimos uma amostra de nanopartículas de ouro, adsqrvidas sobre um filme multicamadas de polieletrólitos fracos, a fim de obter a geometri e a distribuição de nanopartículas de ouro por MEIS. Os resultados concordam muito bem com a imagem obtida por microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Além disso, niostramos que os espectros de MEIS não podem ser ajustados supondo um filme de ouro padrão.

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Caracterização das superfícies e regiões interfaciais de filmes nanométricos de TiN/Ti/Aço AISI M2 nitretado a plasma

Este trabalho apresenta uma análise das superfícies e das regiões interfaciais da estrutura nanométrica de TiN sobre o substrato de aço AISI M2 nitretado a plasma com uso de camada intermediária de Ti. O objetivo da investigação foi identificar os principais componentes químicos formados nesta estrutura e como estes estão distribuídos na região de interface filme-substrato. O efeito da pré-nitretação do substrato nas ligações interfaciais foi o foco principal. A nitretação a plasma do substrato foi do tipo brilhante (bright nitriding), ou seja, baixa temperatura (400oC) e mistura pobre em nitrogênio (5% de N2 em balanço com H2) para evitar a formação de camada de compostos. Depois de calibradas as taxas de deposição do TiN e do Ti em substratos de silício, filmes ultrafinos de TiN e Ti (menores que 10 nm), a temperatura ambiente, foram depositados por sputtering reativo nas amostras de aço rápido. A taxa de deposição e a estequiometria foram obtidas por espectrometria de retroespalhamento Rutherford (RBS) e por análises por reações nucleares (NRA). Também foi analisado o perfil de Ti por espalhamento de íons de média energia (MEIS). A caracterização química das superfícies e interfaces das amostras de aço e do sistema composto TiN/Ti/Aço foi realizada por espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS). As interfaces e os perfis de concentração do Ti e do N, foram analisada por espalhamento de íons de média energia (MEIS) e pelo uso de ressonâncias estreitas na curva de seção de choque (NRP). Os resultados mostraram a formação de nitretos de ferro e de cromo na camada de difusão da superfície nitretada e uma menor quantidade relativa de óxidos e hidróxidos metálicos nesta superfície. No sistema TiN/Ti/Aço, a nitretação do substrato induziu a formação de uma maior quantidade de nitretos de Ti, Fe e Cr nesta estrutura. As análises dos perfis de concentração mostraram que a interdifusão nas interfaces (TiN/Ti e Ti/Aço) foi significativamente intensificada na amostra com substrato de aço nitretado. O efeito da desoxidação promovido pela nitretação a plasma e o incremento da interdifusão interfacial vão ao encontro de uma transição de propriedades mais suave e de uma maior adesão do revestimento duro ao substrato de aço.

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Influência de bolhas de hélio e da microestrutura sobre a evolução térmica de filmes de alumínio implantados com cobre

Este trabalho apresenta os resultados de um estudo sistemático sobre as influências do tamanho de grão de filmes finos de Al e da implantação de íons de He sobre a evolução térmica de distribuições de átomos de Cu e formação de precipitados de Al-Cu. Filmes finos de Al depositados sobre substrato de SiO2/Si através de dois processos diferentes foram implantados com íons de Cu+ e He+ produzindo uma solução sólida supersaturada de Al-Cu (≈ 2,5 a 3,5 at. %) e nano-bolhas de He. Os valores de energia dos íons foram escolhidos de tal forma a produzirem uma camada rica em Cu e He na região a aproximadamente 100nm da superfície. Tais filmes foram tratados termicamente em alto-vácuo nas temperaturas de 200ºC e 280ºC por tempos de 0,5h e 2h. Os filmes foram analisados por Retroespalhamento Rutherford, para determinação do perfil de concentração dos átomos de Cu, e por Microscopia Eletrônica de Transmissão, para determinação da microestrutura do Al e dos sistemas de nano-partículas Al-Cu e Al-He. Os resultados experimentais mostraram que a evolução térmica da distribuição dos átomos de Cu e a formação de precipitados de Al-Cu são significativamente afetadas pela configuração e tamanho de grão do filme de Al e pelas implantações de He. O presente estudo mostrou que existe uma forte correlação entre o fluxo de vacâncias e a estabilidade da microestrutura de filmes finos de Al (Al/SiO2/Si) implantados com íons de Cu+ e He+ e tratados termicamente. A possibilidade de controlar os fluxos de vacâncias através de configurações da microestrutura dos filmes de Al é, portanto, um tema de grande interesse tecnológico relacionado a durabilidade das interconexões metálicas de dispositivos microeletrônicos.

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Nanoestruturas luminescentes ß-FeSi 2 produzidas pela técnica de implantação e irradiação iônica : caracterização estrutural e óptica

Neste trabalho, apresentamos um estudo sistemático das propriedades estruturais e ópticas de nanopartículas FeSi2, sintetizadas em matriz SiO2/Si por implantação iônica, seguida de cristalização epitaxial induzida por feixe de íons (IBIEC) e tratamentos térmicos em atmosfera 95 % N2 - 5 % H2. A cada etapa do processo de síntese, a formação e crescimento de nanopartículas FeSi2, bem como a produção de defeitos, foi caracterizada estruturalmente e correlacionada com as propriedades de emissão de luz. Para fins de interpretação dos resultados, um conjunto de amostras contendo Ni foi sintetizado nas mesmas condições experimentais que as amostras de Fe e suas propriedades estruturais e ópticas também foram estudadas. Através do processo de recristalização IBIEC obtivemos importantes informações sobre as propriedades vibracionais da fase metálica γ-FeSi2 e sua metaestabilidade quando formada a baixa concentração de Fe. Em particular, a transição desta fase via temperatura de recozimento para a fase semicondutora β-FeSi2 foi investigada detalhadamente. A natureza do gap fundamental de energia do composto semicondutor também foi avaliada. Em experimentos em função da temperatura de tratamento térmico, observou-se que concomitantemente à formação e crescimento de nanopartículas semicondutoras, existe uma complexa evolução de defeitos opticamente ativos. De acordo com a temperatura de recozimento, bandas de fotoluminescência (PL) na região espectral do infravermelho próximo (0.7 eV - 0.9 eV) com diferentes intensidades e morfologias foram detectadas a 2 K. Baseado nos resultados das caracterizações estruturais e ópticas do sistema SiO2/Si + nanopartículas FeSi2, juntamente com resultados PL experimentais comparativos da formação do composto metálico NiSi2, as origens físicas das distintas luminescências observadas foram discriminadas em termos de emissões intrínsecas do semicondutor β-FeSi2 e de específicos tipos de defeitos na matriz de Silício que atuam como centros de recombinação radiativa.

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Nanoestruturas luminescentes de Ge e Sn em camadas de SiO/sub 2/ implantadas com íons

Neste trabalho estudam-se as propriedades de nanoestruturas de Ge e Sn formadas em amostras de SiO2/Si(100) através dos processos de implantação iônica e tratamento térmico. A formação de nanocristais de Ge foi investigada em função de tratamentos térmicos em ambiente de N2. Os resultados obtidos foram correlacionados com as propriedades de luminescência das amostras, sendo feita uma discussão sobre os mecanismos atômicos envolvidos no processo de crescimento dos nanocristais de Ge, bem como seus efeitos na criação de centros luminescentes no interior da camada de SiO2, que são responsáveis por intensas bandas de fotoluminescência (PL) nas regiões espectrais do azul-violeta (≈ 3,2 eV) e ultravioleta (≈ 4,2 eV). Além disso, experimentos de irradiação com diferentes íons (He+, Si+, Kr++, Au+) foram realizados antes da implantação do Ge com o objetivo de estudar o efeito de memória que os danos criados pela irradiação apresentam sobre as propriedades estruturais e luminescentes das amostras de SiO2/Si(100) No estudo das amostras de SiO2/Si(100) implantadas com Sn, a síntese de nanopartículas de Sn foi estudada em função da temperatura e do ambiente de tratamento térmico (N2 e vácuo). De maneira pioneira mostrou-se que através da manipulação desses parâmetros é possível formar desde grandes nanocristais bi-fásicos de Sn (≈ 12 a 25 nm) em estruturas concêntricas com núcleo de β-Sn e camada externa de SnOx, até pequenas nanopartículas de Sn com diâmetros de ≈ 2 nm e uniformemente distribuídas ao longo da camada de SiO2. Além disso, observou-se que a evolução estrutural do sistema de nanopartículas de Sn influencia diretamente as características das emissões de PL azul-violeta e UV. Por fim, um outro aspecto das nanoestruturas de Sn foi estudado: a formação de um denso arranjo de ilhas epitaxiais de β-Sn na região de interface SiO2/Si. Este sistema de nano-ilhas, que cresce epitaxialmente, é uniformemente distribuído sobre a superfície do Si, apresentando uma pequena dispersão em tamanho e tendência a se auto-organizar. A criação desse sistema de nano-ilhas epitaxiais através da utilização da implantação iônica é um processo inédito, sendo discutida aqui com base nas propriedades de equilíbrio do sistema Sn-Si.

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Construção de nanoestruturas e caracterização por SEM e RBS

Nanoestruturas apresentam algumas propriedades que as diferem dos materiais em escalas maiores, o que abre uma série de possibilidades no campo de aplicação. Um ponto importante em nanotecnologia é o desenvolvimento de métodos adequados para a análise e caracterização de nanoestruturas. Este trabalho estuda o uso de Espectrometria por Retroespalhamento Rutherford (RBS) para a análise e caracterização de micro e nanoestruturas de Cu fabricadas utilizando membranas poliméricas Nuclepore® como moldes. As estruturas foram obtidas através do preenchimento dos poros dessas membranas com Cu por eletrodeposição, crescidas sobre um filme fino de Au com espessuras entre 5nm e 500nm depositado em um lado das membranas por Deposição Física em vácuo (PVD) e reforçado por um substrato espesso de Cu com cerca de 10um depositado sobre o filme de Au. Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) e Espectrometria de Retroespalhamento Rutherford (RBS) foram usadas para caracterizar as amostras. Analisando as amostras com micro e nanocilindros, a mudança do espectro RBS como uma função do ângulo de inclinação da amostra foi estudada usando a abordagem de Metzner et al (2007) generalizada para estruturas 3D em simulações numéricas. O diâmetro das micro e nanoestruturas variam entre 50 e 400nm, enquanto seus comprimentos variam entre 1 e 5um. As análises por SEM forneceram o perfil morfológico local dessas estruturas e estimativas para suas dimensões geométricas. As análises RBS forneceram informações sobre o perfil médio das estruturas provenientes de uma região mais extensa da amostra.

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