Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Esforços constantes de pesquisa têm sido conduzidos na seleção de materiais, combinando propriedades de interesse (mecânicas, químicas, elétricas ou térmicas), versatilidade de uso, tempo de vida útil elevado e baixo custo de produção. A busca por materiais de elevado desempenho mecânico despertou grande interesse na pesquisa e desenvolvimento dos cerâmicos avançados com aplicações estruturais e funcionais, como o carbeto de silício. Entretanto, a porosidade ainda é vista como fator limitador do alto desempenho destes materiais visto que, acima de determinada porcentagem, reduz largamente sua resistência mecânica. Seu controle atualmente é realizado através de técnicas de alto custo, com a utilização de tomógrafos. Este trabalho buscou validar uma nova técnica, onde a porosidade foi avaliada através de processamento digital de imagens de microscopia ótica do material previamente lixado e polido em diversas profundidades, com controle dos parâmetros de lixamento e polimento. Esta nova metodologia mostrou-se apropriada e menos dispendiosa para a quantificação da porosidade do carbeto de silício, tendo sido validada para o estudo deste material. / Constant research efforts have been conducted in material selection, matching the properties of interest (mechanical, electrical, chemical and thermal), versatility of use, high lifetime and low cost of production. The search for materials with high mechanical performance aroused great interest in the research and development of advanced ceramic with structural and functional applications such as silicon carbide. However, the porosity is still seen as a limiting factor in high performance materials because, above a certain percentage, greatly reduces its mechanical strength. His control is currently performed using techniques of high cost, with the use of scanners. This study aimed to validate a new technique, where the porosity was evaluated by digital image processing of the optical microscopy in the material previously sanded and polished at various depths, with control of the material parameters. This new methodology was appropriate and less expensive to quantify the porosity of the silicon carbide and has been validated for the study of this material.

O carbeto de silício (SiC) apresenta várias propriedades extremamente interessantes para a fabricação de dispositivos eletrônicos submetidos a condições extremas como alta temperatura (300 a 600 °C), alta frequência e alta potência. Além disso, é o único semicondutor composto que, reagindo com o oxigênio, forma um óxido isolante estável, o SiO2. No entanto, as propriedades elétricas de estruturas de SiO2/SiC são degradadas pela alta concentração de estados eletricamente ativos na interface dielétrico/semicondutor. Tal característica representa uma barreira para a fabricação de dispositivos baseados nesse material. Nesta tese foram comparadas e analisadas as propriedades de estruturas SiO2/4H-SiC obtidas por diferentes processos de oxidação térmica. As estruturas resultantes foram caracterizadas por medidas de corrente-tensão, capacitância-tensão e condutância ac de alta frequência, espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios-X, análise por reação nuclear e microscopia de força atômica. O uso dessas técnicas analíticas visou a correlacionar o comportamento elétrico das estruturas obtidas com suas propriedades físico-químicas como, por exemplo, composição e estrutura química do óxido formado. Os resultados evidenciam diferenças específicas entre os ambientes de oxidação e temperaturas aos quais as amostras foram submetidas, com uma forte distinção entre 4H-SiC tipo-n e tipo-p. Em geral, amostras do substrato tipo-n apresentaram menores quantidades de defeitos na interface SiO2/SiC em comparação com as do tipo-p. Foram identificados comportamentos relacionados a defeitos no óxido, próximos à interface, responsáveis pela captura de portadores majoritários provenientes do semicondutor. Ficou evidente que alguns ambientes e temperaturas de oxidação beneficiam a interface em detrimento da qualidade do filme de óxido e vice-versa. Uma atmosfera de oxidação alternativa, utilizando H2O2 como agente oxidante, foi proposta. Tal processo mostrou-se eficaz na redução da quantidade de estados eletricamente ativos na interface em estruturas tipo-n através da conversão de compostos carbonados em SiO2 no filme dielétrico formado. / Silicon carbide (SiC) presents many advantageous properties for electronic devices designed to work under extreme conditions such as high-temperature (300 ~ 600 °C), high-frequency, and high-power. In addition, the formation of an insulating oxide layer (SiO2) by thermal oxidation is an attractive property for the microelectronics industry. Nevertheless, large densities of interface states at the SiO2/SiC interface degrade electrical properties of the resulting structure. Such states are responsible for undesirable effects which hamper the development of SiC-based devices. In this thesis, the properties of SiO2/4H-SiC structures obtained by distinct oxidation processes where analyzed and compared. The resulting structures where characterized by currentvoltage, high-frequency capacitance-voltage and ac conductance, X-ray photoelectron spectroscopy, nuclear reaction analysis, and atomic force microscopy. Such techniques were employed in order to correlate electrical and physico-chemical properties of the formed structures like composition and chemical bonding of the oxide layer. Results evidence differences among samples prepared under several oxidation atmospheres and temperatures, with a strong distinction among n- and p-type 4H-SiC. Overall, p-type samples presented larger values of interface states densities in comparison with their ntype counterparts. Near-interface traps in the oxide layer, responsible for capture of majority carriers from the semiconductor substrate, were identified. We could evidence that some oxidation conditions improve the bulk properties of the oxide layer, at the same time that they degrade the SiO2/SiC interface quality, and vice versa. An alternative oxidation process using H2O2 as oxidizing agent was proposed. Such process has shown to reduce the amount of electrically active defects at the interface in n-type samples by converting carbonaceous compounds in SiO2 in the formed dielectric layer.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Esforços constantes de pesquisa têm sido conduzidos na seleção de materiais, combinando propriedades de interesse (mecânicas, químicas, elétricas ou térmicas), versatilidade de uso, tempo de vida útil elevado e baixo custo de produção. A busca por materiais de elevado desempenho mecânico despertou grande interesse na pesquisa e desenvolvimento dos cerâmicos avançados com aplicações estruturais e funcionais, como o carbeto de silício. Entretanto, a porosidade ainda é vista como fator limitador do alto desempenho destes materiais visto que, acima de determinada porcentagem, reduz largamente sua resistência mecânica. Seu controle atualmente é realizado através de técnicas de alto custo, com a utilização de tomógrafos. Este trabalho buscou validar uma nova técnica, onde a porosidade foi avaliada através de processamento digital de imagens de microscopia ótica do material previamente lixado e polido em diversas profundidades, com controle dos parâmetros de lixamento e polimento. Esta nova metodologia mostrou-se apropriada e menos dispendiosa para a quantificação da porosidade do carbeto de silício, tendo sido validada para o estudo deste material. / Constant research efforts have been conducted in material selection, matching the properties of interest (mechanical, electrical, chemical and thermal), versatility of use, high lifetime and low cost of production. The search for materials with high mechanical performance aroused great interest in the research and development of advanced ceramic with structural and functional applications such as silicon carbide. However, the porosity is still seen as a limiting factor in high performance materials because, above a certain percentage, greatly reduces its mechanical strength. His control is currently performed using techniques of high cost, with the use of scanners. This study aimed to validate a new technique, where the porosity was evaluated by digital image processing of the optical microscopy in the material previously sanded and polished at various depths, with control of the material parameters. This new methodology was appropriate and less expensive to quantify the porosity of the silicon carbide and has been validated for the study of this material.

O carbeto de silício (SiC) apresenta várias propriedades extremamente interessantes para a fabricação de dispositivos eletrônicos submetidos a condições extremas como alta temperatura (300 a 600 °C), alta frequência e alta potência. Além disso, é o único semicondutor composto que, reagindo com o oxigênio, forma um óxido isolante estável, o SiO2. No entanto, as propriedades elétricas de estruturas de SiO2/SiC são degradadas pela alta concentração de estados eletricamente ativos na interface dielétrico/semicondutor. Tal característica representa uma barreira para a fabricação de dispositivos baseados nesse material. Nesta tese foram comparadas e analisadas as propriedades de estruturas SiO2/4H-SiC obtidas por diferentes processos de oxidação térmica. As estruturas resultantes foram caracterizadas por medidas de corrente-tensão, capacitância-tensão e condutância ac de alta frequência, espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios-X, análise por reação nuclear e microscopia de força atômica. O uso dessas técnicas analíticas visou a correlacionar o comportamento elétrico das estruturas obtidas com suas propriedades físico-químicas como, por exemplo, composição e estrutura química do óxido formado. Os resultados evidenciam diferenças específicas entre os ambientes de oxidação e temperaturas aos quais as amostras foram submetidas, com uma forte distinção entre 4H-SiC tipo-n e tipo-p. Em geral, amostras do substrato tipo-n apresentaram menores quantidades de defeitos na interface SiO2/SiC em comparação com as do tipo-p. Foram identificados comportamentos relacionados a defeitos no óxido, próximos à interface, responsáveis pela captura de portadores majoritários provenientes do semicondutor. Ficou evidente que alguns ambientes e temperaturas de oxidação beneficiam a interface em detrimento da qualidade do filme de óxido e vice-versa. Uma atmosfera de oxidação alternativa, utilizando H2O2 como agente oxidante, foi proposta. Tal processo mostrou-se eficaz na redução da quantidade de estados eletricamente ativos na interface em estruturas tipo-n através da conversão de compostos carbonados em SiO2 no filme dielétrico formado. / Silicon carbide (SiC) presents many advantageous properties for electronic devices designed to work under extreme conditions such as high-temperature (300 ~ 600 °C), high-frequency, and high-power. In addition, the formation of an insulating oxide layer (SiO2) by thermal oxidation is an attractive property for the microelectronics industry. Nevertheless, large densities of interface states at the SiO2/SiC interface degrade electrical properties of the resulting structure. Such states are responsible for undesirable effects which hamper the development of SiC-based devices. In this thesis, the properties of SiO2/4H-SiC structures obtained by distinct oxidation processes where analyzed and compared. The resulting structures where characterized by currentvoltage, high-frequency capacitance-voltage and ac conductance, X-ray photoelectron spectroscopy, nuclear reaction analysis, and atomic force microscopy. Such techniques were employed in order to correlate electrical and physico-chemical properties of the formed structures like composition and chemical bonding of the oxide layer. Results evidence differences among samples prepared under several oxidation atmospheres and temperatures, with a strong distinction among n- and p-type 4H-SiC. Overall, p-type samples presented larger values of interface states densities in comparison with their ntype counterparts. Near-interface traps in the oxide layer, responsible for capture of majority carriers from the semiconductor substrate, were identified. We could evidence that some oxidation conditions improve the bulk properties of the oxide layer, at the same time that they degrade the SiO2/SiC interface quality, and vice versa. An alternative oxidation process using H2O2 as oxidizing agent was proposed. Such process has shown to reduce the amount of electrically active defects at the interface in n-type samples by converting carbonaceous compounds in SiO2 in the formed dielectric layer.

Neste trabalho foi investigado o processamento e propriedades mecânicas e tribológicas do compósito cerâmico Al2O3- NbC com o objetivo de desenvolver um compósito cerâmico com melhores propriedades do que a alumina pura. Como material para comparação foi utlizado a alumina que é uma cerâmica tradicionalmente aplicada onde é necessária elevada resistência mecânica e ao desgaste. A composição Al2O3-0,5%wtY2O3-20%wtNbC, que origina o compósito, passou por moagem e mistura em moinho tipo atrittor e secagem em evaporador rotativo. O pó obtido foi caracterizado quanto a distribuição granulométrica e morfologia. A alumina seguiu a rota tradicional de moagem e mistura em moinho de bolas, secagem em spray dryer; e mesma caracterização realizada para o compósito. Foi realizado estudo da sinterização em dilatômetro para os dois materiais com intuito de determinar as condições ideais de sinterização. Por meio de prensagem uniaxial seguida de prensagem isostática a frio foram confeccionadas amostras na forma de discos e pinos. Os materiais densos foram obtidos por sinterização normal sendo que a alumina ao ar e o compósito em atmosfera de argônio. As fases formadas no dois materiais foram determinadas por difração de raios X. As microestruturas foram estudas em microscópio eletrônico de varredura nas superfícies polidas e atacadas. Entre as propriedades mecânicas foram medidas o módulo elástico, a dureza e a tenacidade à fratura por meio de impressões Vickers. O compósito desenvolvido apresentou valores superiores em todas estas propriedades em relação a alumina. O estudo do comportamento tribológico foi realizado por meio do deslizamento de pinos, com extremidade cônica, de alumina e do compósito cerâmico sobre discos de alumina. Os ensaios foram realizados com a velocidade de 0,4m/s e com carregamento, por meio de peso morto, de 10N sob diferentes níveis de umidade relativa ( 26,8; 48 e 76,3%). O coeficiente de atrito cinético médio, assim como a taxa de desgaste, diminuiu em todos os ensaios com o aumento da umidade relativa, para os dois materiais. Este comportamento foi relacionado com a formação de uma camada na interface de contato entre as superfícies do pino e do disco de hidróxido de alumínio. O compósito demostrou maior resistência ao desgaste em todas as condições tribológicas estudadas. O compósito cerâmico desenvolvido claramente possui boas perspectivas como um novo material cerâmico em importantes aplicações técnicas. / In the present work processing, and mechanical and tribological properties of a ceramic composite Al2O3-NbC were investigated in order to develop a ceramic material with superior properties. Alumina was chosen as a reference since it is a traditional ceramic material for applications where elevated mechanical properties and wear resistance are required. The composition Al2O3 - 0.5 wt%Y2O3-20 wt%NbC was prepared by attrition milling followed by drying in a rotaevaporator. The resulting powder mixture was characterized for granulometry and powder particles morphology. Alumina was processed according to the traditional route of ball milling followed by passing through a spray drier, and the processed powder was then characterized the same way as the composite. Dilatometry was accomplished for both materials in order to define the ideal sintering conditions. Samples with the shape of discs and pins were compacted by uniaxial pressing followed by cold isostatic pressing. Densification was achieved by sintering in air and in argon for alumina and the composite, respectively. Phase composition of sintered materials was studied by X-ray diffraction (XRD). Microstructure was investigated by means of scanning electron microscopy (SEM) on polished and etched surfaces. Materials were also characterized for a number of mechanical properties, in particular for Young modulus, hardness, and fracture toughness by Vickers indentation method. The developed composite exhibited superior mechanical properties as compared to alumina. Tribological behavior was investigated by means of a sliding pin on disk test with pins of a conical shape prepared both from alumina and the composite, and an alumina disk. Tests were performed with the sliding speed of 0.4 m/s and 10N load under varying humidity conditions (26.8; 48, and 76.3%). Both the mean coefficient of friction and the wear rate diminished in all tests with the increase of humidity for both materials. Such behavior was attributed to a aluminum hydroxide layer formation between the pin and the disk surfaces. The developed composite exhibited better wear resistance under all tribologic conditions studied. The developed ceramic composite obviously has good perspectives as a new material for a variety of important technical applications.

Nanocompósitos de matriz de alumina (Al2O3) reforçada com uma segunda fase nanométrica apresentam melhores propriedades mecânicas, especialmente dureza, tenacidade à fratura e resistência ao desgaste, quando comparado à matriz monolítica. O carbeto de nióbio (NbC) possui propriedades que o tornam um material de reforço ideal em cerâmicas de matriz Al2O3, como alto ponto de fusão e dureza, baixa reatividade química e coeficiente de expansão térmica similar à Al2O3, prevenindo o aparecimento de trincas que diminuem a resistência do material. As maiores reservas de nióbio estão localizadas no Brasil e o estudo em torno do seu aproveitamento é importante para o país. Assim, o objetivo deste trabalho foi obter e caracterizar nanocompósitos de matriz de Al2O3 contendo 5% em volume de inclusões nanométricas de NbC obtidos por moagem reativa de alta energia, usando sinterização convencional, Spark Plasma Sintering (SPS) e micro-ondas. Para isso, os pós nanométricos precursores de Al2O3-NbC foram obtidos por moagem reativa de alta energia, realizada por 330 minutos em moinho tipo SPEX, desaglomerados, lixiviados com ácido clorídrico, adicionados à matriz de Al2O3 na proporção de 5% em volume e secos sob fluxo de ar. Os pós de Al2O3-5%vol.NbC foram sinterizados por diferentes métodos: convencional em atmosfera de argônio, micro-ondas e SPS, usando diferentes temperaturas. Os pós precursores foram caracterizados por difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e medida de tamanho de partículas. Os nanocompósitos sinterizados convencionalmente e por SPS foram caracterizados quanto a sua microestrutura, densidade aparente em relação a densidade teórica e dureza por nanoindentação. Os nanocompósitos sinterizados por SPS foram caracterizados quanto ao módulo de Young por nanoindentação, tenacidade à fratura e resistência a flexão em três pontos. Os nanocompósitos sinterizados convencionalmente e por SPS foram caracterizados quanto à resistência ao desgaste por ensaios esfera no disco, usando esferas de WC-6%Co com cargas de 30 e 60 N e esferas de Al2O3 com cargas de 15 e 30 N. Os resultados mostram que a moagem reativa de alta energia foi completa e efetiva na obtenção de pós nanométricos, com tamanhos de cristalito iguais a 9,1 e 9,7 nm, para Al2O3 e NbC, respectivamente. Além disso, a desaglomeração, após o processo de moagem reativa de alta energia, foi eficaz na dispersão das inclusões de NbC na matriz de Al2O3. No entanto, não foi possível obter nanocompósitos de Al2O3-5%vol.NbC com alta densidade usando os processos de sinterização convencional (92-93 %DT) e micro-ondas (80-90 %DT). No processo de sinterização por SPS, os nanocompósitos apresentaram densidades próximas à teórica (99 %DT) e, consequentemente, melhores durezas e resistência ao desgaste, quando comparadas aos materiais obtidos em forno convencional. Os resultados obtidos na caracterização da resistência ao desgaste confirmaram que esta propriedade é influenciada por diversos fatores, como método e temperatura de sinterização, as esferas utilizadas como contra-materiais e cargas aplicadas durante o ensaio. Os resultados indicaram que nanocompósitos de Al2O3-5%vol.NbC sinterizados por SPS apresentam potencial para aplicações em diversos segmentos industriais, onde se exige materiais de alto desempenho mecânico e de desgaste. / Los nanocomposites de matriz alúmina (Al2O3) reforzados con una segunda fase nanométrica presentan mejores propiedades mecánicas, especialmente de dureza, tenacidad a la fractura y resistencia al desgaste, en comparación con el material monolítico de alúmina. Por otra parte, el carburo de niobio (NbC), como refuerzo de segunda fase, presenta propiedades que lo convierten en un material ideal para las cerámicas de matriz Al2O3, tales como alta temperatura de fusión, alta dureza, baja reactividad química y un coeficiente de expansión térmica similar al material de Al2O3, evitando así la aparición de grietas que disminuyen la resistencia del material. Actualmente, las mayores reservas de niobio se encuentran en Brasil y el estudio sobre su uso es un hito muy importante para el país. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis es obtener y caracterizar nanocomposites de matriz de Al2O3 con una segunda fase del 5% en volumen de nanopartículas de NbC obtenidos por molienda reactiva de alta energía y, mediante la sinterización convencional, Spark Plasma Sintering (SPS) y microondas. Para ello, los polvos precursores nanométricos de Al2O3-NbC fueron obtenidos mediante molienda reactiva de alta energía, durante 330 minutos en molino SPEX, desaglomerados, lixiviados con ácido clorhídrico, añadidos a la matriz de Al2O3 en la proporción de 5% en volumen y secado bajo flujo de aire. Los polvos de Al2O3-5vol.%NbC fueron sinterizados por diferentes métodos: convencional bajo una atmósfera de argón, microondas y SPS usando diferentes temperaturas. Los polvos precursores se caracterizaron por difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM) y la medición del tamaño de partícula. Los nanocomposites sinterizados convencionalmente y mediante SPS se caracterizaron microestructuralmente, se estudió la densidad aparente y la dureza por nanoindentación. Los nanocomposites sinterizados mediante SPS fueron caracterizados mediante el módulo de Young por nanoindentación, la tenacidad a la fractura y la resistencia a la flexión en tres puntos. Por otra parte, los nanocomposites sinterizados convencionalmente y mediante SPS fueron caracterizados respecto a resistencia al desgaste mediante la técnica de \"ball-on-disc\", utilizando esferas de WC-6%Co con cargas 30 y 60 N y esferas de Al2O3 con cargas 15 y 30 N. Los resultados muestran que la molienda reactiva de alta energía ha sido completa y eficaz en la obtención de polvos nanométricos con tamaños de cristalito de 9,1 y 9,7 nm para la Al2O3 y NbC, respectivamente. Además, la desaglomeración, después del proceso de molienda reactiva de alta energía, fue eficaz en la dispersión de las inclusiones de NbC en la matriz de Al2O3. Sin embargo, no ha sido posible obtener nanocomposites de Al2O3-5vol.%NbC con alta densidad usando procesos de sinterización convencional (92-93 %DT) y microondas (80-90 %DT). En el proceso de sinterización mediante SPS, los nanocomposites presentaron densidades cercanas a la teórica (99 %DT) y, en con-secuencia, mejor dureza y resistencia al desgaste en comparación con los materiales obtenidos en un horno convencional. Los resultados correspondientes a la resistencia al desgaste han confirmado que esta propiedad está influenciada por varios factores tales como el método y temperatura de sinterización, las esferas utilizadas como contramaterial y las cargas aplicadas durante el test. Los resultados finales indicaron que los nanocomposites de Al2O3-5vol.%NbC obtenidos mediante SPS tienen un gran potencial para las distintas aplicaciones industriales, las cuales re-quieren materiales de alto rendimiento mecánico y al desgaste.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta frequência e/ou alta temperatura. Além disso, é possível crescer termicamente um filme de dióxido de silício (SiO2) sobre o SiC de maneira análoga ao silício. Porém, esses filmes apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no caso do SiO2/Si, o que limita a qualidade dos dispositivos formados. Assim, compreender a origem da degradação elétrica e desenvolver métodos para passivar os defeitos na região interfacial SiO2/SiC são importantes passos para o desenvolvimento da tecnologia do SiC. Buscando uma melhor compreensão da natureza dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC, a interação de estruturas SiO2/SiC com vapor d’água enriquecido isotopicamente (D2 18O) e a interação com monóxido de carbono (CO), um dos subprodutos da oxidação térmica do SiC, foram investigadas. Observou-se que a interação com CO gera cargas positivas na estrutura e que a incorporação de deutério proveniente da água é fortemente dependente da rota de formação do filme de SiO2. Sabendo que a incorporação de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC são eficientes métodos para reduzir o número de defeitos eletricamente ativos nessa região, investigou-se a incorporação de nitrogênio em estruturas de SiC através de tratamentos térmicos em amônia enriquecida isotopicamente (15NH3) e desenvolveu-se um novo método de incorporação de fósforo, fazendo sua deposição por pulverização catódica (sputtering) Os métodos de incorporação propostos resultaram em maiores quantidades de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC do que os encontrados na literatura, tornando-os promissores candidatos na passivação elétrica do SiC. Além da caracterização físico-química utilizando diferentes técnicas, também foi feita a caracterização elétrica de capacitores Metal-Óxido-Semicondutor (MOS) testando filmes de SiO2 obtidos por sputtering ou por crescimento térmico. Adicionalmente, desenvolveu-se uma rota de síntese de padrões de 18O mais estáveis ao longo do tempo para serem utilizados em análises por reação nuclear. Também foi proposta uma metodologia de quantificação de fósforo via análise por reação nuclear. Dos resultados obtidos neste doutorado, uma melhor compreensão da natureza e da origem dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC foi alcançada. Também obteve-se uma melhor compreensão de como os elementos passivadores nitrogênio e fósforo interagem nessa região. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that require high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si. However, these films present higher density of electrical defects in the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si interface, which limits the quality of the fabricated devices. Thus, it is important to understand the origin of the electrical degradation and to develop methods to passivate the defects in the SiO2/SiC interfacial region in order to develop the SiC technology. Aiming at a better understanding of the nature of defects at the SiO2/SiC interfacial region, the interaction of SiO2/SiC structures with water vapor isotopically enriched (D2 18O) and the interaction with carbon monoxide (CO), one of the SiC thermal oxidation by-products, were investigated. It was observed that the interaction with CO generates positive charges in the structure and that the deuterium incorporation from the water vapor is strongly dependent on the formation route of the SiO2 film. Knowing that nitrogen and phosphorous incorporation in the SiO2/SiC interfacial region are efficient methods to reduce the number of electrical defects in this region, the nitrogen incorporation in SiC structures by isotopically enriched ammonia (15NH3) annealings was investigated and a new method to incorporate phosphorous, by sputtering deposition was developed The proposed incorporation methods resulted in higher amounts of nitrogen and phosphorous then those found in literature, making them promising candidates to the electrical passivation of SiC. Besides the physico-chemical characterization using different techniques, the electrical characterization of Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitors was also performed, testing SiO2 films obtained by sputtering deposition or thermally grown. Additionally, a route to synthesize 18O standards for nuclear reaction analyses that are more stable over time was developed. Besides, a methodology to quantify phosphorous by nuclear reaction analysis was proposed. From the results obtained in this PhD thesis, a better understanding of the nature and the origin of defects present in the SiO2/SiC interfacial region was obtained, as well as a better understanding on how the passivating elements nitrogen and phosphorous interact in this region.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta freqüência e/ou temperatura. Além disso, um filme de dióxido de silício (SiO2) pode ser crescido termicamente sobre o SiC de maneira análoga a sobre silício, permitindo que a tecnologia já existente para a fabricação de dispositivos utilizando Si possa ser adaptada para o caso do SiC. No entanto, filmes crescidos termicamente sobre SiC apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no SiO2/Si. Assim, compreender a origem e os parâmetros que afetam essa degradação elétrica é um importante passo para a tecnologia do SiC. A primeira parte deste trabalho teve como objetivo compreender o efeito de parâmetros de oxidação (pressão de oxigênio e tempo de oxidação) no crescimento térmico de filmes de dióxido de silício sobre substratos de carbeto de silício. As oxidações foram realizadas em ambiente rico em 18O2 e a influência na taxa de crescimento térmico dos filmes de Si18O2 e nas espessuras das regiões interfaciais formadas entre o filme dielétrico e o substrato foram investigadas utilizando análises por reação nuclear. Para correlacionar as modificações nas propriedades investigadas com as propriedades elétricas das amostras, estruturas metal-óxidosemicondutor foram fabricadas e levantamento de curvas corrente-voltagem e capacitânciavoltagem foi realizado. Com isso, pretendeu-se melhor compreender a origem da degradação elétrica gerada pela oxidação térmica no SiC. Observou-se que a taxa de crescimento térmico dos filmes de SiO2 depende de um parâmetro dado pelo produto do tempo de oxidação e da pressão de oxigênio, para as condições testadas. O deslocamento da tensão de banda plana com relação ao valor ideal mostrou-se igualmente dependente desse parâmetro, indicando que uma maior degradação elétrica na região interfacial SiO2/SiC ocorrerá conforme o filme fica mais espesso devido ao aumento dos parâmetros investigados. Não observaram-se modificações nas espessuras da região interfacial SiO2/SiC e na tensão de ruptura dielétrica dos filmes de SiO2 atribuídas aos parâmetros de oxidação testados. Na segunda parte deste trabalho, visando minimizar a degradação elétrica da região interfacial SiO2/SiC gerada pela oxidação térmica do SiC, propôs-se crescer termicamente, em uma condição mínima de oxidação, um filme muito fino e estequiométrico de SiO2, monitorado por espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios X. Para formar filmes mais espessos de SiO2 e poder fabricar estruturas MOS, depositaram-se filmes de SiO2 por sputtering. As espessuras e estequiometria dos filmes depositados foram determinadas por espectrometria de retroespalhamento Rutherford com ou sem canalização. As estruturas MOS em que o filme fino de SiO2 foi crescido termicamente antes da deposição apresentaram menor deslocamento da tensão de banda plana com relação ao valor ideal e maior tensão de ruptura dielétrica do que as amostras em que o filme foi apenas crescido termicamente ou apenas depositado, confirmando a minimização da degradação elétrica da região interfacial SiO2/SiC pela rota proposta. O efeito de um tratamento térmico em ambiente inerte de Ar nas estruturas também foi investigado. Observou-se uma degradação elétrica na região interfacial SiO2/SiC devido a esse tratamento. Análises por reação nuclear indicaram que o filme fino crescido termicamente não permaneceu estável durante o tratamento térmico, perdendo oxigênio para o ambiente gasoso e misturando os isótopos de oxigênio do filme crescido termicamente com o do filme depositado. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that requires high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si, allowing that technology already used to fabricate devices based on Si to be adapted to the SiC case. However, the oxide films thermally grown on SiC present higher density of electrical defects at the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si. Thus, the understanding of the origin and what parameters affect the electrical degradation is an important step to the SiC technology. The first part of this work aimed to understand the effect of oxidation parameters (oxygen pressure and oxidation time) in the thermal growth of silicon dioxide films on silicon carbide substrates. The oxidations were performed in an 18O2 rich ambient and the influence on the growth rate of the Si18O2 films and on the interfacial region thickness formed between the dielectric film and the substrate were investigated using nuclear reaction analyses. To correlate the modifications observed in these properties with modifications in the electrical properties, metal-oxide-semiconductors structures were fabricated and current-voltage and capacitancevoltage curves were obtained. The aim was to understand the origin of the electrical degradation due to the thermal oxidation of silicon carbide. It was observed that the growth rate of the Si18O2 films depends on the parameter given by the product of the oxygen pressure and the oxidation time, under the conditions tested. The flatband voltage shift with respect to the ideal value was also influenced by the same parameter, indicating that a larger electrical degradation in the SiO2/SiC interfacial region will occur as the film becomes thicker due to the increase of the values of the investigated parameters. No modifications were observed in the SiO2/SiC interfacial region thickness and in the dielectric breakdown voltage of the SiO2 films that could be attributed to the oxidation parameters tested. In the second part of this work, in order to minimize electrical degradation due to thermal oxidation of silicon carbide, a stoichiometric SiO2 film with minimal thickness was thermally grown, monitored by X-ray photoelectron spectroscopy. To obtain thicker films and to fabricate MOS structures, a SiO2 film was deposited by sputtering. The thicknesses and stoichiometries of the deposited films were determined by Rutherford backscattering spectrometry using or not the channeling geometry. The MOS structures in which a thin film was thermally grown before the deposition presented smaller flatband voltage shift and higher breakdown voltage when compared to SiO2 films only thermally grown or only deposited directly on SiC, confirming that the electrical degradation in the SiO2/SiC interfacial region was minimized using the proposed route. The effect of one thermal treatment in argon in the structures was also investigated. An electrical degradation in the SiO2/4H-SiC interface was observed. Nuclear reaction analyses indicated that the thin film thermally grown was not stable during the annealing, loosing O to the gaseous ambient and mixing O isotopes of the thermally grown film with those of the deposited film.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:07:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoseFSJ_TESE.pdf: 4970258 bytes, checksum: fcd6ec64fc7d0cdced502c9b8b4dd5f9 (MD5) Previous issue date: 2012-11-01 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / The 15Kh2MFA steel is a kind of Cr-Mo-V family steels and can be used in turbines for energy generation, pressure vessels, nuclear reactors or applications where the range of temperature that the material works is between 250 to 450?C. To improve the properties of these steels increasing the service temperature and the thermal stability is add a second particle phase. These particles can be oxides, carbides, nitrites or even solid solution of some chemical elements. On this way, this work aim to study the effect of addition of 3wt% of niobium carbide in the metallic matrix of 15Kh2MFA steel. Powder metallurgy was the route employed to produce this metallic matrix composite. Two different milling conditions were performed. Condition 1: milling of pure 15Kh2MFA steel and condition 2: milling of 15Kh2MFA steel with addition of niobium carbide. A high energy milling was carried out during 5 hours. Then, these two powders were sintered in a vacuum furnace (10-4torr) at 1150 and 1250?C during 60 minutes. After sintering the samples were normalized at 950?C per 3 minutes followed by air cooling to obtain a desired microstructure. Results show that the addition of niobium carbide helps to mill faster the particles during the milling when compared with that steel without carbide. At the sintering, the niobium carbide helps to sinter increasing the density of the samples reaching a maximum density of 7.86g/cm?, better than the melted steel as received that was 7,81g/cm?. In spite this good densification, after normalizing, the niobium carbide don t contributed to increase the microhardness. The best microhardness obtained to the steel with niobium carbide was 156HV and to pure 15Kh2MFA steel was 212HV. It happened due when the niobium carbide is added to the steel a pearlitic structure was formed, and the steel without niobium carbide submitted to the same conditions reached a bainitic structure / O a?o 15Kh2MFA, da fam?lia dos a?os CrMoV, pode ser utilizado em turbinas para gera??o de energia, vasos de press?o, reatores nuclear ou aplica??es, onde o material ? submetido a temperaturas de servi?o entre 250 e 450?C. Uma forma de melhorar as propriedades do a?o, para que ele trabalhe a temperaturas mais altas ou que se torne mais est?vel ? adicionar part?culas de segunda fase na sua matriz. Estas part?culas podem estar na forma de ?xidos, carbetos, nitretos ou at? mesmo em solu??o s?lida quando alguns elementos qu?micos s?o adicionados ao material. Neste contexto, este trabalho objetiva estudar o efeito da adi??o de 3% de carbeto de ni?bio na matriz met?lica do a?o 15Kh2MFA. Para isto a metalurgia do p? foi a rota empregada para a produ??o deste comp?sito de matriz met?lica. Para tal, duas moagens distintas foram realizadas. A primeira com o a?o 15Kh2MFA e a segunda com o a?o 15Kh2MFA com adi??o de 3% de carbeto de ni?bio. A moagem de alta energia foi realizada durante 5 horas. Em seguida, os dois p?s produzidos foram sinterizados em um forno a v?cuo (10-4torr) a temperaturas de 1150?C e 1250?C durante 60 minutos. Ap?s a sinteriza??o as amostras foram submetidas ao tratamento t?rmico de normaliza??o a 950?C. Os resultados mostraram que a adi??o do carbeto de ni?bio ajuda o processo de cominui??o das part?culas, quando comparado com o a?o sem o carbeto de ni?bio. O carbeto de ni?bio tem um papel fundamental na densifica??o das amostras durante a sinteriza??o, levando a densidade 7,86g/cm?, que ? maior do que a densidade do a?o fundido recebido que era de 7,81g/cm?. Apesar desta boa densifica??o, ap?s a normaliza??o, o NbC n?o contribuiu de forma significativa para aumento da dureza, onde a melhor dureza obtida para o a?o com NbC foi de 156HV e para o a?o puro foi de 212HV. Isto se deve ao fato de que, quando o NbC foi adicionado ao a?o, formou-se uma estrutura perl?tica, enquanto que, com o a?o sem adi??o de NbC, submetido as mesmas condi??es, obteve-se uma estrutura bain?tica

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:07:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MariaVMS_Parcial.pdf: 533267 bytes, checksum: dfba6ad9f2b0c2ad0d26dac46721fabf (MD5) Previous issue date: 2013-10-31 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / The refractory metal carbides have proven important in the development of engineering materials due to their properties such as high hardness, high melting point, high thermal conductivity and high chemical stability. The niobium carbide presents these characteristics. The compounds of niobium impregnated with copper also have excellent dielectric and magnetic properties, and furthermore, the Cu doping increases the catalytic activity in the oxidation processes of hydrogen. This study aimed to the synthesis of nanostructured materials CuNbC and niobium and copper oxide from precursor tris(oxalate) oxiniobate ammonium hydrate through gas-solid and solid-solid reaction, respectively. Both reactions were carried out at low temperature (1000?C) and short reaction time (2 hours). The niobium carbide was produced with 5 % and 11% of copper, and the niobium oxide with 5% of copper. The materials were characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Rietveld refinement, Scanning Electron Microscopy (SEM), X-Ray Fluorescence Spectroscopy (XRF), infrared spectroscopy (IR), thermogravimetric (TG) and differential thermal analysis (DTA , BET and particle size Laser. From the XRD analysis and Rietveld refinement of CuNbC with S = 1.23, we observed the formation of niobium carbide and metallic copper with cubic structure. For the synthesis of mixed oxide made of niobium and copper, the formation of two distinct phases was observed: CuNb2O6 and Nb2O5, although the latter was present in small amounts / Os carbetos de metais refrat?rios t?m se revelado importantes no desenvolvimento de materiais de engenharia devido as suas propriedades, tais como: alta dureza, alto ponto de fus?o, alta condutividade t?rmica e alta estabilidade qu?mica. O carbeto de ni?bio apresenta essas caracter?sticas. Os compostos de ni?bio impregnados com cobre tamb?m possuem excelentes propriedades diel?tricas e magn?ticas e, al?m disso, a dopagem com Cu aumenta a atividade catal?tica em processos de oxida??o de hidrog?nio. Este trabalho teve como objetivo a s?ntese dos materiais CuNbC e ?xido de ni?bio e cobre nanoestruturados a partir do precursor tris(oxalato)oxiniobato de am?nio hidratado, atrav?s de rea??o g?s-s?lido e s?lido-s?lido, respectivamente. Para ambos, as rea??es foram realizadas a baixa temperatura (1000?C) e curto tempo de rea??o (2 horas). O carbeto de ni?bio foi produzido com 5% e 11% de cobre e o ?xido de ni?bio e cobre com 5% de cobre. Os materiais obtidos foram caracterizados atrav?s dos ensaios de Difra??o de Raios X (DRX), Refinamento Rietveld, Microscopia Eletr?nica de Varredura (MEV), Espectroscopia por Fluoresc?ncia de Raios-X (FRX), Espectroscopia de Infravermelho (IV), Termogravim?trica (TG), An?lise Termodiferencial (DTA), BET e granulometria a Laser. A partir das an?lises de DRX e do refinamento Reitiveld para o CuNbC com S= 1,23, observou-se a forma??o do carbeto de ni?bio e cobre puro com estrutura c?bica. Na s?ntese realizada do ?xido misto de ni?bio e cobre correu a forma??o de duas fases distintas: CuNb2O6 e Nb2O5, embora a ?ltima tenha sido formada em pequena quantidade / 2020-01-01