Devido à relevância de filmes finos, as técnicas que são utilizadas para produzi-los e também para caracteriza-los tem se tornado importante. Neste contexto, foram analisados filmes finos de até 100 nm, de duas ligas metálicas (cromel e alumel), obtidos a partir da deposição por plasma de Arco Catódico Filtrado em Vácuo (Filtered Cathodic Vacuum Arc - FCVA). O objetivo deste projeto foi avaliar a similaridade em composição elementar entre os materiais utilizados para deposição, que operam como cátodos, e os filmes finos depositados, a partir de medições obtidas pela técnica de microanálise quantitativa Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). Para comparação entre resultados e apreciação de compatibilidade, foi realizada avaliação estatística considerando o Teste t, no qual a estatística do teste é dada pela Distribuição t de Student, adotando nível de significância de 5%. Os valores obtidos por EDS Quantitativo para os cátodos foram de (em wt%) (90,3 ± 0,5)% de Ni e (9,72 ± 0,19)% de Cr para o cromel e (95,1 ± 0,8)% de Ni, (2,02 ± 0,14)% de Mn, (1,65 ± 0,04)% de Si e (1,15 ± 0,05)% de Al para o alumel. Já para os filmes finos, foram de (90,2 ± 0,5)% de Ni e (9,8 ± 0,5)% de Cr para o cromel e (95,2 ± 0,4)% de Ni, (2,8 ± 0,4)% de Mn, (0,77 ± 0,17)% de Si e (1,08 ± 0,09)% de Al para o Alumel, ambos apresentando compatibilidade com as medidas por Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) - técnica comumente utilizada para este tipo de espécime. Verificou-se que a composição elementar do filme fino de cromel não apresentou diferença significativa com o cátodo da mesma liga. Entretanto, para o filme fino de alumel, houve evidências de diferença significativa com relação ao cátodo, apontada pelo elemento silício. / Due the relevance of thin films, the techniques used to produce and also to characterize them has become important. In this context, it was analyzed thin films up to 100 nm of two alloys (Chromel and Alumel) obtained by plasma deposition using Filtered Cathodic Vacuum Arc (FCVA). The objective of this project was to evaluate the similarity in elemental concentration of the materials used for deposition, which act as cathodes, and the deposited thin films, through measurements obtained by quantitative microanalysis technique Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). In order to compare results and compatibility assessment was performed statistical analysis considering the t-test in which the test statistic is given by the Student\'s t - distribution, adopting a significance level of 5%. The values obtained by Quantitative EDS for the cathodes were (in wt%) (90.3 ± 0.5)% of Ni and (9.72 ± 0.19)% of Cr for the Chromel and (95.1 ± 0.8)% of Ni, (2.02 ± 0.14)% of Mn, (1.65 ± 0.04)% of Si and (1.15 ± 0.05)% of Al for the Alumel. As for the thin films, they were (90.2 ± 0.5)% of Ni and (9.8 ± 0.5)% of Cr for the Chromel and (95.2 ± 0.4)% of Ni, (2.8 ± 0.4)% of Mn, (0.77 ± 0.17)% of Si and (1.08 ± 0.09)% for Al Alumel, both featuring compatibility with the measures by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) - technique commonly used for this type of specimen. It was verified that the elemental concentration of the thin film of Chromel presented no significant difference with the cathode of the same alloy. However, for the Alumel thin film, there was evidence of a significant difference with respect to the cathode, appointed by element Silicon.

Devido à relevância de filmes finos, as técnicas que são utilizadas para produzi-los e também para caracteriza-los tem se tornado importante. Neste contexto, foram analisados filmes finos de até 100 nm, de duas ligas metálicas (cromel e alumel), obtidos a partir da deposição por plasma de Arco Catódico Filtrado em Vácuo (Filtered Cathodic Vacuum Arc - FCVA). O objetivo deste projeto foi avaliar a similaridade em composição elementar entre os materiais utilizados para deposição, que operam como cátodos, e os filmes finos depositados, a partir de medições obtidas pela técnica de microanálise quantitativa Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). Para comparação entre resultados e apreciação de compatibilidade, foi realizada avaliação estatística considerando o Teste t, no qual a estatística do teste é dada pela Distribuição t de Student, adotando nível de significância de 5%. Os valores obtidos por EDS Quantitativo para os cátodos foram de (em wt%) (90,3 ± 0,5)% de Ni e (9,72 ± 0,19)% de Cr para o cromel e (95,1 ± 0,8)% de Ni, (2,02 ± 0,14)% de Mn, (1,65 ± 0,04)% de Si e (1,15 ± 0,05)% de Al para o alumel. Já para os filmes finos, foram de (90,2 ± 0,5)% de Ni e (9,8 ± 0,5)% de Cr para o cromel e (95,2 ± 0,4)% de Ni, (2,8 ± 0,4)% de Mn, (0,77 ± 0,17)% de Si e (1,08 ± 0,09)% de Al para o Alumel, ambos apresentando compatibilidade com as medidas por Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) - técnica comumente utilizada para este tipo de espécime. Verificou-se que a composição elementar do filme fino de cromel não apresentou diferença significativa com o cátodo da mesma liga. Entretanto, para o filme fino de alumel, houve evidências de diferença significativa com relação ao cátodo, apontada pelo elemento silício. / Due the relevance of thin films, the techniques used to produce and also to characterize them has become important. In this context, it was analyzed thin films up to 100 nm of two alloys (Chromel and Alumel) obtained by plasma deposition using Filtered Cathodic Vacuum Arc (FCVA). The objective of this project was to evaluate the similarity in elemental concentration of the materials used for deposition, which act as cathodes, and the deposited thin films, through measurements obtained by quantitative microanalysis technique Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). In order to compare results and compatibility assessment was performed statistical analysis considering the t-test in which the test statistic is given by the Student\'s t - distribution, adopting a significance level of 5%. The values obtained by Quantitative EDS for the cathodes were (in wt%) (90.3 ± 0.5)% of Ni and (9.72 ± 0.19)% of Cr for the Chromel and (95.1 ± 0.8)% of Ni, (2.02 ± 0.14)% of Mn, (1.65 ± 0.04)% of Si and (1.15 ± 0.05)% of Al for the Alumel. As for the thin films, they were (90.2 ± 0.5)% of Ni and (9.8 ± 0.5)% of Cr for the Chromel and (95.2 ± 0.4)% of Ni, (2.8 ± 0.4)% of Mn, (0.77 ± 0.17)% of Si and (1.08 ± 0.09)% for Al Alumel, both featuring compatibility with the measures by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) - technique commonly used for this type of specimen. It was verified that the elemental concentration of the thin film of Chromel presented no significant difference with the cathode of the same alloy. However, for the Alumel thin film, there was evidence of a significant difference with respect to the cathode, appointed by element Silicon.

Orientador: Francisco das Chagas Marques / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-14T14:37:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 OliveiraJunior_MyrianoHenriquesde_D.pdf: 13534676 bytes, checksum: 4da81eaf9a2b22721528c9804801a446 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Neste trabalho desenvolvemos um sistema de deposição de filmes finos pela técnica de arco catódico filtrado (FCVA- Filtered Cathodic Vacuum Arc), que possibilita o desenvolvimento de ligas metálicas e, sobretudo, a deposição de filmes de carbono amorfo altamente tetraédrico. Utilizando este sistema desenvolvemos filmes de carbono amorfo (a-C) com elevada dureza (estimado em cerca de 50 a 60GPa) e alta concentração de ligações sp3 C-C em função da polarização do substrato. Estudamos as propriedades ópticas, mecânicas (stress e dureza), estruturais (Raman e RBS) e a estabilidade térmica (efusão de gases) destes filmes em função da energia de deposição. Também desenvolvemos e caracterizamos filmes de carbono crescidos por FCVA assistido por um feixe de íons secundário de Ar e Kr com diferentes energias, onde analisamos os efeitos da energia deste feixe sobre as propriedades físicas do material resultante. Além das estruturas de carbono intrínseco realizamos um estudo sobre filmes de carbono amorfo hidrogenado depositados por PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) com diferentes tensões de bias (de 60 à 550V) e atmosferas mistas de CH4/Kr, onde variamos a pressão parcial deste gás nobre entre 0 e 50%. Estudamos a influência deste gás nobre sobre as propriedades estruturais do material assim como a forma como os átomos deste elemento se distribuem dentro da rede amorfa. Esta última análise foi baseada em estudos conduzidos a partir da absorção de raios-x na borda K do átomo de criptônio, onde verificamos a aglomeração destes átomos na forma de estruturas solidas. Também investigamos os processos de transformações estruturais ocorridas em estruturas a-C:H e ta-C com a temperatura baseadas na efusão de gases. Para este estudo construímos um sistema que funciona em ultra-alto vácuo, com temperatura controlada variando de ambiente até cerca de 1000 graus. Os estudos sobre as propriedades estruturais foram baseados, sobretudo, em medidas de espectroscopia de espalhamento Raman com radiação de excitação na região do visível e do ultravioleta, o que possibilita a obtenção de informações mais detalhadas sobre a forma como os átomos sp2 e sp3 distribuem-se no material. Por fim, exploramos o potencial de aplicação de três tipos de carbono amorfo; tipo polimérico (PLC), tipo diamante (DLC) e tetraédrico (ta-C) como monocamadas antirefletoras para células solares de silício cristalino e comparamos com o desempenho obtido com camadas fabricadas com materiais usualmente empregados na indústria para tal aplicação. Os resultados mostraram que filmes de carbono amorfo podem ser utilizados como camada anti-refletora. Os filmes de carbono tipo polimérico apresentaram resultados muito semelhantes aos obtidos com camadas convencionais de dióxido de estanho / Abstract: In this work we designed, manufactured and characterized a Filtered Cathodic Vacuum Arc (FCVA) deposition system. This technique is usually applied in the preparation of metallic alloys and highly sp3 - hybridized amorphous carbon thin films. By using this system we prepared a series of amorphous carbon films (a-C) with high hardness (up to ~60GPa) and high concentration of sp3 C-C bonds varying the deposition energy of the C+ ions. Mechanical (hardness and intrinsic stress) and structural (Raman, RBS and gas effusion) were investigated. Another series of a-C was developed by FCVA, but using an assisted beam of Ar or Kr as a function of the ion energy. The main purpose of this work is to understand of the effects of the bombardment of an energetic ion beam on the physical properties of the films. Another study performed on hydrogenated amorphous carbon films (a-C:H) were carried out on samples deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The films were prepared with different self-bias, varying from 60 up to 550V, and different mixed atmospheres of methane and krypton gases, varying the partial pressure of krypton from 0 to 50%. Films prepared at low bias are polymeric-like (PLC), while films prepared at high bias are diamond-like (DLC). We had performed investigations on the influence of this noble gas on the structural properties of the a-C:H films and how the Kr atoms are arranged within the amorphous matrix. The distribution of Kr atoms was studied mainly by x-ray absorption on the krypton absorption K-edge. Due to the absence of EXAFS oscillations the spectra were interpreted using the XANES region, which gave us evidences of clustering of Kr atoms. The processes involved in the a-C:H nd ta-C structural transformations during the thermal annealing were analyzed by means of thermal gas effusion measurements (using a quadrupole spectrometer) in a system developed in our laboratory. Raman scattering spectroscopy measurements were carried out with excitation radiation in the visible and ultraviolet ranges. This choice is justified due to the more detailed information obtained by multiwavelength Raman spectroscopy on the distribution of sp2and sp3sites within the amorphous carbon matrix. Finally, we had evaluated the possibility of the application of three types of amorphous carbon structures, the diamond-like and polymeric-like carbon, and the ta-C as antireflective coating on crystalline silicon solar cells. We observed that all amorphous carbon structures (DLC, PLC and ta-C) increase the short-circuit current of the solar cells. In the case of PLC films, the result is comparable to that obtained with conventional antireflective coating such as tin dioxide (SnO2) / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

O presente trabalho tem como objetivo contribuir para o conhecimento da morfologia, microestrutura e modulação composicional (perfil da composição química) de recobrimentos NbN/CrN multicamadas nanoestruturados com diferentes periodicidades (entre 4 e 20 nm) depositado por PVD pela técnica de arco catódico. Foi alcançada espessura total do recobrimento de 30 ?m mantendo-se a homogeneidade da periodicidade ao longo de toda a espessura. Análises de difração de Raios-X, aliadas a modelamento computacional (difração dinâmica), e análise de microscopia eletrônica de transmissão (MET), permitiram a determinação da periodicidade das multicamadas e a espessura das camadas individuais de NbN e CrN e análise qualitativa da coerência entre as camadas. O modo de varredura (SMET) acoplado com espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS), permitiu medir a variação da composição química ao longo das nano-camadas individuais. A análise por EELS mostrou que, mesmo para a menor periodicidade estudada - 4nm, não há eliminação da modulação composicional. Assim, um modelo de Análise de Elementos Finitos (FEA) foi utilizado para avaliar a componente das tensões residuais intrínsecas ao longo das multicamadas, alimentado com o cáculo da deformação do parâmetro de rede, que pela Lei de Vergards varia em função da modulação química, ao longo das camadas de NbN e CrN. A microindentação instrumentada e o teste de riscamento mostraram aumento de dureza e maior resistência ao risco com a redução da periodicidade das multicamadas nanoestruturadas de NbN/CrN. O cruzamento dos resultados das diversas técnicas empregadas permitiu análise detalhada da estrutura e morfologia destes recobrimentos e a influência das periodicidades na modulação química das camadas individuais, possibilitando o desenvolvimento de um modelo qualitativo. Este aprendizado irá permitir a deposição de recobrimentos multicamadas nanoestruturados com melhor controle das propriedades mecânicas objetivadas em função da aplicação final do produto. / The present work aims at contributing to the knowledge, microstructure and compositional modulation (Chemical composition profile) of NbN/CrN multilayer nanostructured coatings with different periodicities (between 4 and 20nm) deposited by cathodic arc technique. It was reached a total coating thickness of 30 ?m preserving the periodicity homogeneity along the thickness. X-Ray Diffraction analisys, combined with computational modeling (dinamic diffraction) and Transmission Eletron Microscopy analysis (TEM), allowed the multilayer periodicity determination, the individual NbN and CrN layer thicknesses as well as the qualitative analysis of coherency among layers. The scanning mode (STEM) combined with Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS), allowed the measurement of the chemical composition variation along the individual nanolayers. The EELS analysis showed that, even for the lowest periodicity studied - 4nm, there is no elimination of the compositional modulation. Thus, the Finite Element Analysis model (FEA) was used to evaluate the intrinsic residual stress component along the multilayers, fed with the lattice parameter deformation calculation, which, by Vegards Law varies as a function of the chemical modulation, along the NbN and CrN layers. The instrumented microindentation and the Scratch test showed hardness increase and higher scratch resistance as periodicity decreases on the nanostructured multilayer of NbN/CrN. The cross-linking data of the several techniques employed enabled a detailed analysis of the structure and morphology of such coatings and the influence of the periodicities on the individual layer chemical modulation, allowing the development of a qualitative model. This learning will allow multilayer nanostructured coatings deposition with a better control of desired mechanical properties as a function of the final product application.

O presente trabalho tem como objetivo contribuir para o conhecimento da morfologia, microestrutura e modulação composicional (perfil da composição química) de recobrimentos NbN/CrN multicamadas nanoestruturados com diferentes periodicidades (entre 4 e 20 nm) depositado por PVD pela técnica de arco catódico. Foi alcançada espessura total do recobrimento de 30 ?m mantendo-se a homogeneidade da periodicidade ao longo de toda a espessura. Análises de difração de Raios-X, aliadas a modelamento computacional (difração dinâmica), e análise de microscopia eletrônica de transmissão (MET), permitiram a determinação da periodicidade das multicamadas e a espessura das camadas individuais de NbN e CrN e análise qualitativa da coerência entre as camadas. O modo de varredura (SMET) acoplado com espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS), permitiu medir a variação da composição química ao longo das nano-camadas individuais. A análise por EELS mostrou que, mesmo para a menor periodicidade estudada - 4nm, não há eliminação da modulação composicional. Assim, um modelo de Análise de Elementos Finitos (FEA) foi utilizado para avaliar a componente das tensões residuais intrínsecas ao longo das multicamadas, alimentado com o cáculo da deformação do parâmetro de rede, que pela Lei de Vergards varia em função da modulação química, ao longo das camadas de NbN e CrN. A microindentação instrumentada e o teste de riscamento mostraram aumento de dureza e maior resistência ao risco com a redução da periodicidade das multicamadas nanoestruturadas de NbN/CrN. O cruzamento dos resultados das diversas técnicas empregadas permitiu análise detalhada da estrutura e morfologia destes recobrimentos e a influência das periodicidades na modulação química das camadas individuais, possibilitando o desenvolvimento de um modelo qualitativo. Este aprendizado irá permitir a deposição de recobrimentos multicamadas nanoestruturados com melhor controle das propriedades mecânicas objetivadas em função da aplicação final do produto. / The present work aims at contributing to the knowledge, microstructure and compositional modulation (Chemical composition profile) of NbN/CrN multilayer nanostructured coatings with different periodicities (between 4 and 20nm) deposited by cathodic arc technique. It was reached a total coating thickness of 30 ?m preserving the periodicity homogeneity along the thickness. X-Ray Diffraction analisys, combined with computational modeling (dinamic diffraction) and Transmission Eletron Microscopy analysis (TEM), allowed the multilayer periodicity determination, the individual NbN and CrN layer thicknesses as well as the qualitative analysis of coherency among layers. The scanning mode (STEM) combined with Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS), allowed the measurement of the chemical composition variation along the individual nanolayers. The EELS analysis showed that, even for the lowest periodicity studied - 4nm, there is no elimination of the compositional modulation. Thus, the Finite Element Analysis model (FEA) was used to evaluate the intrinsic residual stress component along the multilayers, fed with the lattice parameter deformation calculation, which, by Vegards Law varies as a function of the chemical modulation, along the NbN and CrN layers. The instrumented microindentation and the Scratch test showed hardness increase and higher scratch resistance as periodicity decreases on the nanostructured multilayer of NbN/CrN. The cross-linking data of the several techniques employed enabled a detailed analysis of the structure and morphology of such coatings and the influence of the periodicities on the individual layer chemical modulation, allowing the development of a qualitative model. This learning will allow multilayer nanostructured coatings deposition with a better control of desired mechanical properties as a function of the final product application.