Descargas de arco deslizante geram plasmas em pressão atmosférica que podem operar em três regimes diferentes: térmico, não-térmico ou transitório. No regime transitório a descarga inicialmente forma um arco térmico que durante sua evolução sofre uma transição para o regime não-térmico. Esta transição permite obter alta densidade eletrônica e seletividade química, tornando este tipo de descarga interessante para aplicações em processos químicos em fase gasosa a pressão atmosférica. No presente trabalho é realizada a caracterização de um sistema gerador de descargas de arco deslizante em vórtice com o objetivo de compreender melhor os fenômenos básicos deste tipo de reator, em especial, a influência que o fluxo de gás exerce sobre os parâmetros elétricos e o efeito da vazão e da corrente nos processos químicos ocorridos no meio reativo. A caracterização foi feita utilizando ar atmosférico, gás natural e mistura de ambos os gases. As análises foram feitas através de medidas elétricas, espectroscopia óptica e espectrometria de massas. Os experimentos com ar foram realizados variando a vazão mássica entre 0,6 e 3,6 g/s e a corrente da descarga de 76 a 583 mA e, para gás natural, na faixa de 0,4 a 0,7 g/s e 80 a 992 mA. Os experimentos com mistura de gases foram realizados com vazão total de 2,0 g/s variando a razão de equivalência de 0,9 a 11,3 com correntes entre 50 e 392 mA e com vazão total de 1,0 g/s com razão de equivalência fixa em 1,9, variando a corrente de 100 mA a 960 mA. Os resultados mostram que a tensão de ruptura cresce fortemente com o aumento da vazão de gás, ao mesmo tempo em que há um pequeno decréscimo da corrente. A freqüência da descarga, por sua vez, é função tanto da tensão de ruptura quanto da vazão. Observa-se que a reatividade do meio cresce com o aumento da corrente, elevando a produção de NO na descarga em ar e a conversão de gás natural nos experimentos com gás natural puro e com mistura de gases. A redução da vazão total pela metade nos experimentos com mistura dobra a conversão de gás natural, mostrando a importância do tempo de residência no processo.

Materiais empregados em veículos espaciais estão sujeitos a um ambiente térmico agressivo. Estes materiais são empregados principalmente em tubeiras de exaustão dos gases de motor foguete e nas superfícies expostas ao severo ambiente da reentrada atmosférica. O ensaio em laboratório é fundamental para a qualificação dos materiais empregados em sistemas de proteção térmica de veículos espaciais. Este trabalho apresenta os resultados de pesquisas experimentais realizadas no Laboratório de Plasmas e Processos do ITA, cujo objetivo principal foi qualificar materiais utilizados em sistemas de proteção térmica de veículos espaciais. Um túnel de plasma foi concebido utilizando-se a infra-estrutura laboratorial existente, cujos principiais componentes foram: uma câmara de processos de 3,2 m3, um sistema de vácuo com capacidade de bombeamento de 500 m3/h, e uma tocha de plasma alimentada por uma fonte de energia elétrica de corrente contínua de 50 kW. Os parâmetros de operação do túnel de plasma foram otimizados para reproduzirem condições próximas do ponto crítico de reentrada do SARA (Satélite de Reentrada Atmosférica) um veículo espacial em desenvolvimento pelo IAE (Instituto de Aeronáutica e Espaço) com o objetivo de realizar experimentos científicos de micro gravidade. Foram gerados jatos de plasmas de ar e nitrogênio. O ambiente reproduzido apresentou um fluxo térmico de 2,2 MW/m2, número de Mach de 4.1, entalpia de 6,7 MJ/kg e uma altitude simulada próxima de 40 km. Foi realizada a caracterização do jato de plasma e das amostras de materiais compósitos de quartzo-fenólico, carbono-fenólico, carbono-carbono e carbono-carbeto de silício. Algumas propriedades ablativas (perda de massa e calor de ablação) e térmicas (difusividade térmica e emissividade) das amostras foram verificadas. Os efeitos da interação do plasma com os materiais foram analisados por MEV (Microscopia de Varredura Eletrônica), EDX (Energia Dispersiva de Raios X) e Difração de Raios X. Os resultados alcançados possibilitam o desenvolvimento de uma metodologia para a qualificação de materiais utilizados em sistemas de proteção térmica em ambiente de reentrada atmosférica utilizando um túnel de plasma, bem como apresentam as principais propriedades de alguns materiais largamente empregados em sistemas de proteção térmica.

Este trabalho explora a implementação, caracterização e aplicação de um reator constritivo para geração de um jato de plasma de hexafluoreto de enxofre (SF6) operado em alto vácuo para corrosão de silício. Este sistema possibilita uma alta fragmentação do gás de trabalho ocasionando em uma alta concentração de flúor atômico (F) no volume da descarga. Tal densidade de F foi medida com auxilio da técnica de espectroscopia ótica de emissão através do método de actinometria. As análises foram realizadas para diferentes fluxos de SF6 e suas misturas como os gases O2 e Ar e distâncias entre a fonte do jato de plasma e o porta substrato (1-10 cm), para valores fixos de pressão na câmara de expansão (3,2 mTorr), campo magnético (7,2 mT) e potência de radiofreqüência (150W). Estas análises visam o estabelecimento de condições ótimas de processo onde a concentração de F é máxima. Posteriormente as amostras de Si foram corroídas e caracterizadas quanto a taxa de corrosão, anisotropia, uniformidade e rugosidade através do uso das técnicas de microscopia eletrônica de varredura e perfilometria óptica. Os resultados obtidos pela espectroscopia óptica indicaram altas intensidade de flúor para os plasmas gerados com as misturas de gases SF6/O2 e SF6/Ar para distancia de 1 cm, sendo que a mistura SF6/O2 produziu valores mais elevados, da ordem de 1.4x103 u.a. Através do método de actinometria foi determinada a densidade de F que variou de (0,6 - 2,5) x 1019 m-3 (correspondente a 6-25% do volume total dos gases na descarga) para os parâmetros de plasma investigados. Este resultado é comparável com as tecnologias atuais de corrosão como o ICP. As análises de perfilometria indicaram altas taxas de corrosão, que variaram de (0,2-1,4) m/min. possibilitando uma profundidade de corrosão igual a 10 m para algumas condições em um tempo de aproximadamente 7 minutos, tempo bem abaixo dos registrado em corrosões de Si com reatores convencionais como o RIE. As análises também indicaram bons valores de anisotropia (>0,85), boa uniformidade (0,01-0,14) e baixa rugosidade (25-372) utilizando-se plasmas de SF6/O2. Tais características não foram alcançadas com a mistura de Ar no plasma de SF6.

Nesse trabalho é reportado o crescimento de filmes finos de dióxido de titânio (TiO2) por duas técnicas assistidas a plasma chamadas magnetron sputtering convencional (MSC) e magnetron sputtering catodo oco (MSCO). O dióxido de titânio foi crescido sobre substratos de silício, variando alguns parâmetros de plasma como, por exemplo, a distância axial (z0) e a concentração de oxigênio na mistura Ar+O2. As amostras foram caracterizadas por perfilometria, microscopia de força atômica (MFA) e difração de raios-X (DRX). Não obstante, foi realizado diagnóstico das descargas através de métodos como características elétricas corrente-tensão (I×V), sonda simples de Langmuir e espectroscopia de emissão ótica (EEO). Os resultados dessas técnicas foram comparados com os parâmetros provenientes da caracterização dos filmes depositados, de modo a conhecer a interação plasma-superfície. Como uma forma de complementação das análises, foi realizada a comparação de parâmetros como razão de deposição (Rd) com o parâmetro geométrico PCI (probabilidade de coleção de íons). Os resultados mostraram que todos os filmes produzidos são cristalinos, cujas estruturas são altamente dependentes do sistema de deposição, i.e., da energia e da reatividade da descarga.

Sistemas de confinamentos magnéticos de plasmas quentes, têm há muito despontado como uma das melhores alternativas para estudar plasmas de fusão. Dentre estes sistemas os tokamaks apresentam-se como os mais viáveis. Entretanto, a compreensão dos mecanismos físicos que regem a dinâmica e o equilibro da coluna de plasma no interior destas máquinas ainda tem diversos tópicos em aberto. A equação básica que descreve o equilíbrio Magneto Hidrodinâmico (MHD) neste tipo de sistema é a equação de Grad-Shafranov, uma equação auto consistente que depende do perfil de densidade de corrente toroidal da coluna de plasma. Condições de equilíbrio MHD quando um perfil de densidade de corrente toroidal com inversão é aplicado à equação de Grad-Shafranov têm sido foco de estudos recentes. Esse tipo de perfil de densidade de corrente está relacionado ao modo alternado de operação dos tokamaks. Este modo de operação por sua vez está relacionado ao aparecimento de barreiras de transporte e de correntes de retroalimentação do plasma, chamadas correntes "Bootstrap". Mesmo sob condições de equilíbrio, esse tipo de configuração de densidade de corrente toroidal tem apresentado a formação de ilhas magnéticas. A análise desse tipo de equilíbrio tem sido feita na literatura usando métodos numéricos, dada a complexidade e não linearidade da equação envolvida. Há alguns modelos analíticos que abordam perfis de corrente toroidal simplificados. Neste trabalho desenvolvemos um tratamento analítico para tratar o equilíbrio MHD com perfil de corrente invertida, através do método das aproximações sucessivas, determinando o fluxo poloidal magnético para esse equilíbrio aplicado às configurações do tokamak TCABR do Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Foi possível caracterizar a formação de ilhas magnéticas através da determinação do fator de segurança desse novo equilíbrio além do cálculo do número e da largura das ilhas encontradas.

Atualmente, uma das mais importantes aplicações tecnológicas da corrosão por plasma em semicondutores é permitir a fabricação do silício (Si) suspenso e partes móveis que compõem um sistema microeletromecânico (MEMS). A formação dessas estruturas tridimensionais requer processos de corrosão com alta velocidade de corrosão, boa anisotropia, baixos danos a superfície e seletividade química em relação a outros materiais. Neste trabalho foram realizadas corrosões de Si em estruturas de linhas por jato de plasma onde a potência de radiofrequência foi fixada em 150 W, pressão em 3,2 mTorr e o campo magnético de confinamento do jato de plasma em 6 mT, para todas as amostras utilizando dois tipos de misturas de gases: SF6/O2 ou CF4/O2. A escolha de gases fluorados é devido à alta afinidade entre o flúor atômico e os átomos do silício. Uma combinação de diagnóstico do plasma por espectroscopia óptica de emissão e de técnicas de caracterização das amostras corroídas, como perfilometria óptica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS), foi utilizada para investigar a morfologia e química do silício corroído a fim de estabelecer as melhores condições experimentais para obtenção de elevadas taxas de corrosão e controle do perfil corroído no substrato de Si. Os resultados experimentais do processo de corrosão utilizando jato de plasma de SF6 indicam taxas de corrosões entre (1,05-1,53) m/min e de CF4 entre (0,18-0,54) m/min para diferentes distâncias axiais entre o substrato e o inicio do jato de plasma e concentrações de oxigênio. As condições cujo perfil de corrosão apresentou maior anisotropia foram às corroídas com CF4. Com relação à análise química da superfície do silício corroído foi possível identificar elementos da superfície da amostra como F, C, N e O, bem como suas respectivas ligações com o Si.

O objetivo do presente trabalho foi realizar estudo experimental e teórico amplo e criterioso de plasmas confinados em um microcatodo oco aberto (MCO aberto), formado por um capacitor de placas plano-paralelas com um dielétrico (mica), entre elas e um furo de diâmetro (diâmetros escolhidos: 250m, 500m e 1000m), vazando o centro das placas juntamente com o dielétrico. Este dispositivo foi alimentado por uma fonte de alta tensão de corrente continua (CC). Os eletrodos utilizados na confecção dos MCO';s abertos foram o cobre, molibdênio e tântalo. Em relação às condições experimentais, os nossos microplasmas foram gerados em uma mistura de gases, , sob pressões sub-atmosféricas ou atmosféricas. Primeiro, fizemos uma investigação sobre os modos de operação apresentados pelos microplasmas através da curva característica tensão-corrente. Os resultados obtidos para estas curvas foram divididos em dois grupos. No primeiro grupo focamos a aplicação da lei de similaridade de Allis-White com relação ao modo de operação que apresenta uma resistência negativa (regime de catodo oco ou auto-pulsado). Para a faixa de pressão em que as microdescargas foram geradas, outros mecanismos (emissão secundaria, efeito Penning entre outros) são predominantes na produção de elétrons livres em relação ao efeito catodo oco, verificando o modo de operação e o auto-pulsado. Em relação ao segundo grupo ( - ), verificamos somente os regimes de operação normal e anormal estão presentes na descarga. Segundo, por meio do estudo das linhas de emissão dos espectros dos átomos de hidrogênio ( ) e argônio ( ) e também das moléculas de OH, obtivemos os resultados para a densidade eletrônica ( ), temperatura de excitação de elétrons ( ), função de distribuição dos estados atômicos (FDEA) do e a temperatura do gás ( ). Os resultados obtidos para , e estão coerentes com os publicados na literatura quando a corrente da descarga ou a pressão dentro do reator é elevada. Para os perfis apresentados pela FDEA do , constatamos que os estados pertencentes ao nível apresentaram o equilíbrio de Boltzmann parcial local, enquanto que, os níveis pertencentes à cauda da função de distribuição tenderam ao equilíbrio de Saha parcial local quando a pressão e o furo do microcatodo oco foram aumentados. Através dos valores apresentados pelo parâmetro , foi possível avaliar o quanto cada estado da função de distribuição dos estados atômicos do argônio experimental estava fora do equilíbrio de Saha . Além disso, por meio deste parâmetro concluímos que os balanços impróprios que mais contribuíram para tal perda de equilíbrio foram o balanço corona (BC) e o balanço de saturação por excitação (BSE). Por fim, para validar o código colisional radiativo de modelagem CRModel [MULLEN-2000], confrontamos os valores obtidos para e experimentalmente com os teóricos fornecidos pelo código, onde verificamos que para , os resultados estão em boa concordância dentro das incertezas, exceto, para alguns valores de pressão e diâmetros de furo dos MCO.

No presente trabalho é reportado o crescimento de filmes finos de carbeto de silício (SiC), carbonitreto de silício (SiCN) e nitreto de alumínio (AlN) pela técnica de pulverização catódica com dois magnetrons (dual magnetron sputtering) visando a aplicação destes materiais na confecção de microsensores. Alvos de silício e carbono foram utilizados para a deposição dos filmes de SiC e SiCN, enquanto que para o crescimento do filme de AlN foi utilizado alvo de alumínio. Os gases utilizados foram argônio (fluxo constante em 10 sccm) e nitrogênio (de 0 a 20 sccm). Todos os filmes foram crescidos sobre substratos de silício (100) variando-se parâmetros como, para o caso do SiC, potência aplicada em cada alvo, potência total, pressão de deposição, polarização do substrato e fluxo de nitrogênio. Já para o caso do AlN foram estudados parâmetros como distância alvo-substrato e fluxo de nitrogênio. As amostras foram caracterizadas pelas técnicas de perfilometria, espectroscopia Raman, espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford (RBS), difração por raios X (XRD), espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS), nanoidentação e quatro pontas. Além disso, uma caracterização elétrica (corrente-tensão) do sistema foi feita com o intuito de aperfeiçoar e prever as melhores condições de deposição. Os filmes de SiC obtidos neste trabalho apresentaram propriedades que são desejadas para confecção de sensores de pressão, acelerômetros e outros, tais como alta dureza, alto módulo de elasticidade e controle da resistividade elétrica. Já os filmes de AlN são, em sua maioria, mono cristalinos e numa orientação propícia ((100))para aplicação em dispositivos que necessitam de alta velocidade de propagação acústica tal como sensores de pressão baseados na tecnologia de SAW (surface acoustic wave).

Neste trabalho propomos um novo método para determinar a temperatura rotacional a partir de um espectro ro-vibracional quando uma única distribuição de Boltzmann é insuficiente. Esta temperatura é uma estimativa da temperatura do gás e, este parâmetro está relacionado às taxas de reações físico-químicas que ocorrem no plasma. Nosso procedimento é baseado em uma forma de estatística conceitualmente bem estabelecida que foi desenvolvida por C. Tsallis. Estudamos o Primeiro Sistema Negativo da molécula de nitrogênio e o Segundo Sistema Positivo de seu íon molecular ( que ocorrem em plasmas frios. Nossos resultados indicam que uma única distribuição de equilíbrio de Tsallis é capaz de descrever a ocupação dos níveis rotacionais dos sistemas estudados, mesmo quando classicamente são necessárias mais de uma distribuição de equilíbrio de Boltzmann. Nossos resultados mostram que a temperatura obtida por esta nova abordagem (TS) coincide com aquela escolhida como estimativa da temperatura rotacional através do método de combinação linear de distribuições de Boltzmann. Numericamente, reduzimos o número de parâmetros livres para: a temperatura do sistema TS e o parâmetro entrópico q. Conceitualmente atribuímos apenas uma temperatura aos sistemas estudados. Esta nova forma de interpretar a ocupação dos níveis rotacionais, baseada na estatística não extensiva de Tsallis, pode ser usada em outros tipos de moléculas, o que facilitaria a estimativa da temperatura em outros tipos de plasmas frios moleculares.

O presente trabalho tem como finalidade estudar a melhoria das características superficiais da liga Ti6Al4V, induzida pelo processo de nitretação iônica. Objetiva-se aumentar a dureza e melhorar as características de hemocompatibilidade, tendo em vista a sua aplicação futura na confecção de válvula cardíaca mecânica. O processo foi desenvolvido em um reator de jato de plasma de nitrogênio e estudou-se a influência de parâmetros do processo como fluxo de nitrogênio, tempo de processamento e porcentagem de N2 na mistura N2 : H2 usada na descarga, nas características físico-químicas de ligas tratadas de Ti6Al4V. Outros parâmetros, como tensão de descarga, pressão da câmara e temperatura, foram ajustadas de maneira a poder sustentar a descarga com 100 mA de corrente elétrica. A formação das fases de nitreto de titânio nas amostras tratadas com diferentes condições pode ser verificada pela análise estrutural feita com a difração de raios-X. As durezas das camadas nitretadas foram qualitativamente analisadas pela técnica de nanoindentação, que identificou de maneira semiquantitativa a espessura da camada de maior dureza formada em cada amostra. A microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de energia dispersiva de raios-X foram utilizadas para avaliar a variação na textura da superfície da amostra em função das condições de nitretação iônica. O melhoramento da propriedade superficial, quanto à tensão de contato que dita a característica da molhabilidade, foi verificado pela técnica da determinação de ângulo de contato. O estudo permitiu verificar que a diminuição do fluxo de nitrogênio, numa faixa entre 1,0 e 0,3 sccm, assim como o aumento no intervalo de tempo de processamento e concentração de N2 na mistura N2 : H2, aumentam monotonicamente os valores das características mecânicas, como dureza e módulo de elasticidade do filme nitretado. A análise energética dos íons produzidos na descarga elétrica foi feita com o analisador de energia construído e colocado na câmara de processamento deste reator. Os resultados obtidos permitiram inferir que uma das principais causas da melhora na característica da camada nitretada é o aumento da energia dos íons de nitrogênio incidentes sobre a amostra processada. Um dos principais e relevantes resultados do presente trabalho foi, sem dúvida, a obtenção de uma liga de titânio nitretada no anodo de um reator do tipo jato de plasma de baixa intensidade, com dureza amplificada por fator da ordem de 7 vezes a da amostra original, classificando o processo desenvolvido entre os trabalhos que apresentaram melhores resultados em nível internacional. Esse jato de plasma de N2 permite concluir sobre a viabilidade técnica da utilização do reator no melhoramento das características físico-químicas da superfície de Ti6Al4V, multiplicando-se o potencial a aplicação da liga como biomaterial, mesmo na área de produção de implantes cardiovasculares.