L’émission électronique par effet de champ est un domaine qui concerne de nombreuses applications techniques. Dans ce travail, nous avons réalisé une étude essentiellement expérimentale des différents paramètres susceptibles d’avoir une influence sur l’émission électronique. En première partie, nous exposons les résultats obtenus pour un champ électrique homogène correspondant aux faibles intensités de courant. Le rôle de la distance inter-électrodes à champ constant et l’influence de la rugosité de surface sur l’émission électronique ont été étudiés. Nous discutons la méthode classique de Fowler-Nordheim utilisée pour le dépouillement des mesures en y portant un regard critique. Un modèle simple visant à prendre en compte l’échauffement des sites émetteurs est proposé. La seconde partie concerne l’effet de l’injection de gaz sur l’émission électronique, effet qui se traduit par une diminution du courant émis quand on augmente la pression de 10⁻⁶ Pa à 10⁻² Pa à champ macroscopique constant. Nous exposons des résultats montrant un effet de seuil concernant l’apparition de l’effet du gaz sur l’émission électronique. Nous présentons également des résultats pour différents matériaux de cathode et pour différents gaz (He, H₂, N₂, Ar). Une réversibilité de cet effet est montrée après le pompage pour redescendre à 10⁻⁵ Pa. La décroissance de courant par effet de gaz est interprétée par la diminution de la valeur du facteur d’accroissement local du champ électrique (β) au niveau des émetteurs à cause du bombardement de ces sites par les ions créés à leur proximité. Un calcul du flux d’ions bombardant un site émissif a permis d’estimer le temps nécessaire pour modifier un émetteur de façon cohérente avec les observations expérimentales. La théorie de la migration des atomes en surface de l’électrode en présence d’un champ électrique est proposée pour expliquer la réversibilité de l’effet de gaz observée qui est, selon cette théorie, liée à l’augmentation de la valeur de β au niveau des émetteurs. / Field electronic emission is a domain which concerns numerous different technical applications. In this work, we have taken an essentially experimental approach to study various parameters having influence on field emission. In the first part of the thesis, we have described the results obtained with a homogeneous electric field with relatively weak field emission. The role of the inter-electrode distance at constants field as well as that of the cathode surface roughness on field emission are studied. The classical method of Fowler-Norheim was then used for the analysis of the measurements. A simple model aiming to take into account the effect of the heating of the emission sites is then proposed. The second part of the theses concerns the effect of the injection of gas on the field emission; this effect being to significantly reduce emission intensity when the gas pressure is raised from 10⁻⁶ to 10⁻² Pa at constant field. A threshold value of emission intensity is shown to be necessary for the observation of this gas effect. The effect of different gas types (He, H₂, N₂, Ar) and cathode materials are also described. The gas effect is shown to be reversible upon lowering of the gas pressure to 10⁻⁵ Pa. The reduction in current is interpreted by a lowering of the field enhancement factor (β) of emission sites by ionic bombardment by ions created locally (within distances on the order of microns) near the cathode surface. A calculation of the flux of bombarding ions is used to estimate the time necessary to modify an emission site in a way corresponding to the observations. The phenomenon of surface migration in the presence of intense electric field is then proposed to explain the reversibility of the gas effect, increasing the local field enhancement factor.

Neste trabalho foi desenvolvido um procedimento experimental para a fabricação de estruturas 3D de nanotubos de carbono crescidos sobre substrato de cobre e decorados com partículas de óxido de titânio. Foram relacionados os três tipos diferentes de NTCs nesta estrutura (simples, dopados com nitrogênio e tratados com plasma) com a deposição do TiO2 por ALD. Foram igualmente propostas três aplicações para esta estrutura. A síntese dos NTCs verticalmente orientados, dopados e não dopados, foi otimizada dentre alguns parâmetros de síntese como temperatura, agente oxidante e principalmente, o filme catalisador. A introdução de defeitos nos NTCP através do tratamento a plasma oxidativo foi avaliada frente a variáveis como pressão, potência e tempo de exposição. A relação entre os defeitos destes três tipos de NTCs e a deposição de TiO2 por ALD foi avaliada por microscopia eletrônica de transmissão, Raman, XPS e TGA. O procedimento experimental para confecção da estrutura 3D foi desenvolvido etapa por etapa via diversas técnicas experimentais, desde caracterização química, imagem, até testes empíricos. Na estrutura final, foram avaliadas as propriedades fotocatalíticas pela decomposição de corante orgânico em meio aquoso, propriedades capacitivas por voltametria cíclica e propriedades de emissão por campo através de curvas de campo elétrico por corrente de emissão e diagramas F-N. Foram obtidas florestas de NTCs de boa qualidade com até 0.5mm de altura, de diâmetros e número de paredes regulares. Nestes foi possível introduzir defeitos de maneira controlável, mantendo o arranjo da floresta. As florestas de NTCNx alcançam uma altura de até 0,3mm com concentração de nitrogênio de 2% tendo os nanotubos uma estrutura típica “bamboo-like”. Os resultados mostram a relação entre o tipo de defeito e a deposição de TiO2 por ALD, obtendo-se partículas cristalinas para os NTCP e NTCNx, sendo neste ultimo as partículas homogeneamente distribuídas e com tamanho uniforme, enquanto nos NTCOx forma-se uma densa camada de TiO2 composta por grandes grãos monocristalinos A partir de processo como tratamentos térmicos e transferência dos NTC de substrato foi possível obter uma estrutura 3D composta de uma camada carbono grafítico e NTC-VAs sobre um substrato de cobre, sem alterar o arranjo inicial das florestas. As amostras mostraram efeito de emissão de elétrons por campo elétrico, porém estas requerem uma análise mais quantitativa. Os ensaios de fotocatálise mostraram que a imobilização do TiO2 em um suporte denso inviabiliza a degradação do corante em meio aquoso. Os NTCNx apresentaram maior capacitância que as mostras de NTCP, e o TiO2 foi aparentemente ineficaz para a melhoria desta propriedade. / In this work, we propose an experimental procedure for fabrication of 3D carbon nanotubes structures anchored with titanium oxide particles, on a copper substrate. We correlate three different types of CNTs from this structure (pristine, doped with nitrogen and treated with plasma) with the deposition of TiO2 by ALD. It was yet suggested, three applications for this structure. The synthesis of vertically aligned CNTs, doped and undoped, was optimized among several synthesis parameters such as temperature, oxidizing agent and specially, the catalyst film. The introduction of defects in NTCP by oxidative plasma treatment was evaluated against variables such as pressure, power and exposure time. The association between the defects from these three types of CNTs and the deposition of TiO2 by ALD was assessed by transmission microscopy, Raman, XPS and TGA. The experimental procedure for assembling the 3D structure had been studied step by step by various techniques, from chemical and imaging, up to empirical testing. In the final structure, the photocatalytic properties were evaluated by the organic dye decomposition in an aqueous medium, capacitive properties by cyclic voltammetry and field emission properties through electric field versus emission current curves and F-N diagram. Was obtained high quality NTCs with a height up to 0.5mm with regular diameters and number of walls. On these, it was introduced, in a controllable way, a high amount of defects without jeopardizing the forest structure. The NTCNx forest reach a 0,3nm height with a 2% nitrogen concentration in its typical structure “bamboo-like”. The results show the relation between the type of defect and the deposition of TiO2 by ALD, forming crystalline particles over the NTCP and NTCNx, in this last evenly distributed with uniform size, while on the NTCOx is is formed a dense TiO2 layer shaped by large monocrystalline grains. By process such as heat treatments and CNT transferring was achieved a 3d structure composed by a graphitic carbon layer and VACNTs over a cupper substrate, without disturb the forest assembly. The samples showed electron field emission effect, but its assessment for quantitative analysis was limited to technical issues. The photocatalysis tests showed that immobilization of TiO2 on a dense support prevents the dye degradation in an aqueous medium. The NTCNx shown higher capacitance than NTCP, and the TiO2 was apparently ineffective for improvement of this property.

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um sistema de ensaios elétricos de dispositivos de emissão de campo para que, a partir desses ensaios, possam ser extraídas as características elétricas desses dispositivos. O sistema é composto por hardware e software dedicados e pode ser controlado local ou remotamente. O hardware inclui uma fonte de alta tensão gerenciada por um sistema microcontrolado. Para programação do microcontrolador, foi utilizado um ambiente de programação disponibilizado pelo próprio fabricante do microcontrolador. Nesse desenvolvimento foram empregados periféricos de entrada e saída do microcontrolador, tais como: leitura de teclado, manipulação de USART, ajuste do nível de saída da fonte e conversores analógicos digitais. No microcontrolador foram implantadas rotinas de configuração, personalização e varredura do display, além de envio e recebimento de informações com um computador. Para o computador foi elaborado um programa dedicado para a manipulação do sistema de ensaio utilizando o conceito de instrumentação virtual, que permite escolher o tipo de ensaio elétrico, armazenar as leituras dos ensaios e a visualização \"on-line\" do andamento do ensaio através de diversos gráficos disponíveis no programa, inclusive o gráfico de Fowler-Nordheim, adequado para o estudo de dispositivos de emissão de campo. / At this work is presented the development of a field emission devices trial system to render possible to obtain the electrical characteristics of the field emission devices. Here are shown some results taken from some trials. During the development of the trial system, it was used at the programming microcontroller stage, the environment of programming supplied by the manufacturer of the microcontroller. At this development, peripheral of input and output from the microcontroller, like, keyboard reading, USART manipulation, SPI manipulation and analogic to digital converters were used. At the microcontroller were implanted routines of configuration, customing and display sweeping, besides the transmission and the receiving of instructions came from the computer. For computer, a program was elaborated dedicated for manipulation of the trials system applying the virtual instrumentation concept, storing readings of the trials as well as the visualization \"on-line\" of the course of the trial through available graphs in the program. As an important result of this work has the establishment of a system for trial of field emission devices controlled on place or remotely, system that is composed by hardware and software in which were made several trials with acquisition and data manipulation and the presentation of received information.

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um sistema de ensaios elétricos de dispositivos de emissão de campo para que, a partir desses ensaios, possam ser extraídas as características elétricas desses dispositivos. O sistema é composto por hardware e software dedicados e pode ser controlado local ou remotamente. O hardware inclui uma fonte de alta tensão gerenciada por um sistema microcontrolado. Para programação do microcontrolador, foi utilizado um ambiente de programação disponibilizado pelo próprio fabricante do microcontrolador. Nesse desenvolvimento foram empregados periféricos de entrada e saída do microcontrolador, tais como: leitura de teclado, manipulação de USART, ajuste do nível de saída da fonte e conversores analógicos digitais. No microcontrolador foram implantadas rotinas de configuração, personalização e varredura do display, além de envio e recebimento de informações com um computador. Para o computador foi elaborado um programa dedicado para a manipulação do sistema de ensaio utilizando o conceito de instrumentação virtual, que permite escolher o tipo de ensaio elétrico, armazenar as leituras dos ensaios e a visualização \"on-line\" do andamento do ensaio através de diversos gráficos disponíveis no programa, inclusive o gráfico de Fowler-Nordheim, adequado para o estudo de dispositivos de emissão de campo. / At this work is presented the development of a field emission devices trial system to render possible to obtain the electrical characteristics of the field emission devices. Here are shown some results taken from some trials. During the development of the trial system, it was used at the programming microcontroller stage, the environment of programming supplied by the manufacturer of the microcontroller. At this development, peripheral of input and output from the microcontroller, like, keyboard reading, USART manipulation, SPI manipulation and analogic to digital converters were used. At the microcontroller were implanted routines of configuration, customing and display sweeping, besides the transmission and the receiving of instructions came from the computer. For computer, a program was elaborated dedicated for manipulation of the trials system applying the virtual instrumentation concept, storing readings of the trials as well as the visualization \"on-line\" of the course of the trial through available graphs in the program. As an important result of this work has the establishment of a system for trial of field emission devices controlled on place or remotely, system that is composed by hardware and software in which were made several trials with acquisition and data manipulation and the presentation of received information.

Carbon nanotubes (CNTs), discovered by Ijima in 1991, are one of the allotropes of carbon, and can be described as cylinders of graphene sheet capped by hemifullerenes. CNTs have excellent electrical, mechanical, thermal and optical properties and very small size. Due to their unique properties and small size, CNTs have a great potential for use in electronics, medical applications, field emission devices (displays,scanning and electronprobes/microscopes) and reinforced composites. CNTs can be grown by different methods from a number of carbon sources such as graphite, CO,C2H4, CH4 and camphor. Under certain conditions, a metallic catalyst is used to initiate the growth. The three main methods used to grow CNTs are: Arc-discharge, laser ablation (LA) and chemical vapour deposition (CVD). In the present work CNTs were grown from a mixture of camphor (C10H16O) and ferrocene (C10H10Fe) using Chemical Vapour Deposition (CVD) and argon was used as a carrier gas. The iron particles from ferrocene acted as catalysts for growth. The substrates used for the growth of CNTs were crystalline Si and SiO2 (Quartz) placed in a quartz tube in a horizontal furnace. Several parameters have been found to affect the CNT growth process. The effects of three parameters: growth temperature, carrier gas (Ar) flow rate and catalyst concentration were investigated in the present work in order to optimize the growth conditions with a simple and economical CVD setup. The samples were characterized using electron microscopy (EM), thermogravimetirc analysis (TGA), Raman and FTIR spectroscopy techniques. It was found that the quality and yield of the CNTs were best at 800°C growth temperature, 80sccm flow rate and 4% catalyst concentration.

We have advanced the state-of-the-art for nano-fabrication of carbon nanotube (CNT) based field emission devices, and have conducted experimental and theoretical investigations to better understand the reasons for the high reduced brightness achieved. We have demonstrated that once the CNT emitter failure modes are better understood and resolved, such CNT emitters can easily reach reduced brightness on the order of 10⁹ A m⁻² sr⁻¹ V⁻¹ and noise levels of about 1%. These results are about 10% better than the best brightness results from a nanotip emitter archived to date. Our CNT emitters have order of magnitude better reduced brightness than state-of-the-art commercial Schottky emitters. Our analytical models of field emission matched our experimental results well. The CNT emitter was utilized in a modified commercial scanning electron microscope (SEM) and briefly operated to image a sample. We also report a successful emission from a lateral CNT emitter element having a single suspended CNT, where the electron emission is from the CNT sidewall. The lateral CNT emitters have reduced brightness on the order of 10⁸ A m⁻² sr⁻¹ V⁻¹, about 10X less than the vertical CNT emitters we fabricated and analyzed. The characteristics of the lateral field emitter were analyzed for manually fabricated and directly grown CNT emitters. There was no significant difference in performance based on the way the CNT emitter was fabricated. We showed that the fabrication technique for making a single CNT emitter element can be scaled to an array of elements, with potential density of 10⁶-10⁷ CNT emitters per cm². We also report a new localized, site selective technique for editing carbon nanotubes using water vapor and a focused electron beam. We have demonstrated the use of this technique to cut CNTs to length with 10s of nanometers precision and to etch selected areas from CNTs with 10s of nanometers precision. The use of this technique was demonstrated by editing a lateral CNT emitter. We have conducted investigations to demonstrate the effects of higher local water pressure on the CNT etching efficiency. This was achieved by developing a new method of localized gas delivery with a nano-manipulator. / text

To study electron emissions and dark currents in the accelerating structures in particle colliders, a test facility with a spectrometer has been constructed at CERN. This spectrometer has been simulated in the C++ toolkit GEANT4 and in this project the simulation has been improved to handle new realistic input data of the emitted electrons. The goal was to find relations between where the electrons are emitted inside the accelerating structure and the energy or position of the particles measured by the spectrometer. The result was that there is a linear relation between the initial position of the electrons and the width in the positions of the particles measured by the spectrometer. It also appears to be a relations between energy the emitted electrons get in the accelerating structure, which is related to the position, and the energy they deposit in the spectrometer. Further studies where the simulations are compared with real measurement data are required to determine whether these relations are true or not, find better reliability in the relations and get a better understanding of the phenomena.

Neste trabalho foi desenvolvido um procedimento experimental para a fabricação de estruturas 3D de nanotubos de carbono crescidos sobre substrato de cobre e decorados com partículas de óxido de titânio. Foram relacionados os três tipos diferentes de NTCs nesta estrutura (simples, dopados com nitrogênio e tratados com plasma) com a deposição do TiO2 por ALD. Foram igualmente propostas três aplicações para esta estrutura. A síntese dos NTCs verticalmente orientados, dopados e não dopados, foi otimizada dentre alguns parâmetros de síntese como temperatura, agente oxidante e principalmente, o filme catalisador. A introdução de defeitos nos NTCP através do tratamento a plasma oxidativo foi avaliada frente a variáveis como pressão, potência e tempo de exposição. A relação entre os defeitos destes três tipos de NTCs e a deposição de TiO2 por ALD foi avaliada por microscopia eletrônica de transmissão, Raman, XPS e TGA. O procedimento experimental para confecção da estrutura 3D foi desenvolvido etapa por etapa via diversas técnicas experimentais, desde caracterização química, imagem, até testes empíricos. Na estrutura final, foram avaliadas as propriedades fotocatalíticas pela decomposição de corante orgânico em meio aquoso, propriedades capacitivas por voltametria cíclica e propriedades de emissão por campo através de curvas de campo elétrico por corrente de emissão e diagramas F-N. Foram obtidas florestas de NTCs de boa qualidade com até 0.5mm de altura, de diâmetros e número de paredes regulares. Nestes foi possível introduzir defeitos de maneira controlável, mantendo o arranjo da floresta. As florestas de NTCNx alcançam uma altura de até 0,3mm com concentração de nitrogênio de 2% tendo os nanotubos uma estrutura típica “bamboo-like”. Os resultados mostram a relação entre o tipo de defeito e a deposição de TiO2 por ALD, obtendo-se partículas cristalinas para os NTCP e NTCNx, sendo neste ultimo as partículas homogeneamente distribuídas e com tamanho uniforme, enquanto nos NTCOx forma-se uma densa camada de TiO2 composta por grandes grãos monocristalinos A partir de processo como tratamentos térmicos e transferência dos NTC de substrato foi possível obter uma estrutura 3D composta de uma camada carbono grafítico e NTC-VAs sobre um substrato de cobre, sem alterar o arranjo inicial das florestas. As amostras mostraram efeito de emissão de elétrons por campo elétrico, porém estas requerem uma análise mais quantitativa. Os ensaios de fotocatálise mostraram que a imobilização do TiO2 em um suporte denso inviabiliza a degradação do corante em meio aquoso. Os NTCNx apresentaram maior capacitância que as mostras de NTCP, e o TiO2 foi aparentemente ineficaz para a melhoria desta propriedade. / In this work, we propose an experimental procedure for fabrication of 3D carbon nanotubes structures anchored with titanium oxide particles, on a copper substrate. We correlate three different types of CNTs from this structure (pristine, doped with nitrogen and treated with plasma) with the deposition of TiO2 by ALD. It was yet suggested, three applications for this structure. The synthesis of vertically aligned CNTs, doped and undoped, was optimized among several synthesis parameters such as temperature, oxidizing agent and specially, the catalyst film. The introduction of defects in NTCP by oxidative plasma treatment was evaluated against variables such as pressure, power and exposure time. The association between the defects from these three types of CNTs and the deposition of TiO2 by ALD was assessed by transmission microscopy, Raman, XPS and TGA. The experimental procedure for assembling the 3D structure had been studied step by step by various techniques, from chemical and imaging, up to empirical testing. In the final structure, the photocatalytic properties were evaluated by the organic dye decomposition in an aqueous medium, capacitive properties by cyclic voltammetry and field emission properties through electric field versus emission current curves and F-N diagram. Was obtained high quality NTCs with a height up to 0.5mm with regular diameters and number of walls. On these, it was introduced, in a controllable way, a high amount of defects without jeopardizing the forest structure. The NTCNx forest reach a 0,3nm height with a 2% nitrogen concentration in its typical structure “bamboo-like”. The results show the relation between the type of defect and the deposition of TiO2 by ALD, forming crystalline particles over the NTCP and NTCNx, in this last evenly distributed with uniform size, while on the NTCOx is is formed a dense TiO2 layer shaped by large monocrystalline grains. By process such as heat treatments and CNT transferring was achieved a 3d structure composed by a graphitic carbon layer and VACNTs over a cupper substrate, without disturb the forest assembly. The samples showed electron field emission effect, but its assessment for quantitative analysis was limited to technical issues. The photocatalysis tests showed that immobilization of TiO2 on a dense support prevents the dye degradation in an aqueous medium. The NTCNx shown higher capacitance than NTCP, and the TiO2 was apparently ineffective for improvement of this property.

Orientador: Prof. Dr. Michel Oliveira da Silva Dantas / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2016. / Sensores de vacuo sao amplamente utilizados tanto no ambito industrial como no da pesquisa cientifica, pois possuem aplicacoes em diversas tecnicas de fabricacao e de analise, como a microscopia eletronica de varredura (MEV), a litografia por feixe de eletrons, e a espectrometria de massa, entre outras. Dentre os diversos tipos de sensores de vacuo destacam-se os baseados em efeito de campo (FE - Field Emission Device), que sao dispositivos que emitem eletrons em vacuo na presenca de um elevado campo eletrico. A literatura destaca diversas vantagens destes dispositivos: operacao em temperatura ambiente, reducao de consumo de potencia e tensao de operacao, obtencao de altas densidades de correntes em areas reduzidas, e rapido tempo de resposta. Existem diversas tecnicas de microfabricacao que podem ser utilizadas para obtencao de dispositivos FE, destacando-se a tecnica HI-PS (gHydrogen Implantation . Porous Siliconh), que proporciona baixa complexidade e custo. No entanto, para obtencao de FEs com sistema anodo-catodo integrado, a tecnica HI-PS apresenta algumas limitacoes, como o elevado numero de etapas de processo, a necessidade de elevada temperatura e tempo de oxidacao, e principalmente a isolacao eletrica deficiente entre as estruturas do anodo e do catodo, propiciando a existencia de correntes de fuga pelo gcorpoh do dispositivo. Frente a estes problemas, este trabalho apresenta estrategias estudadas para aprimorar a tecnica HI-PS de microfabricacao de dispositivos de emissao de campo integrados. Visando a reducao do numero de etapas de processo e a eliminacao de defeitos, inicialmente, foi estudada a utilizacao de fotorresiste como mascara a implantacao ionica de hidrogenio. Esta estrategia se mostrou viavel, resultando na formacao seletiva de silicio poroso e na obtencao de micropontas (catodos) com altura em torno de 10 ¿Êm e diametro dos apices em torno de dezenas de nanometro, dimensoes estas atestadas por MEV. Tambem foi pesquisada a utilizacao de fotorresiste como camada dieletrica, que se mostrou inviavel para a aplicacao proposta devido aos valores de correntes de fuga relativamente elevados. Para melhorar a isolacao eletrica entre as estruturas do anodo e do catodo, a estrategia pesquisada foi a utilizacao de oxido de silicio poroso (Ox-PS) como camada dieletrica entre as referidas estruturas. Para obtencao do Ox-PS, foram estudados diferentes parametros de oxidacao, como temperatura, tempo de processo, gradiente de temperatura de oxidacao (pre-oxidacao), e processo de recozimento termico pos-oxidacao em ambiente Forming Gas. Para as caracterizacoes morfologicas do Ox-PS, foram analisados, por meio de microscopia otica, parametros como espessura, estabilidade estrutural, taxa de corrosao e oxidacao total da camada PS, sendo este ultimo realizado atraves da tecnica Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Para a caracterizacao eletrica da corrente de fuga, foram confeccionados dispositivos MOS, caracterizados eletricamente por aparato constituido por um analisador de parametros semicondutores. O Ox-PS obtido com T = 1000 ¿C, t = 1 h, e com recozimento termico pos-oxidacao em ambiente Forming Gas apresentou significativa reducao da corrente de fuga (de 30 nA para 0,125 nA), comprovando, deste modo, sua potencialidade para a aplicacao proposta. Ja na fabricacao do FE integrado, o Ox-PS obtido nestas condicoes apresentou elevada instabilidade estrutural, gerando a necessidade de implementar processos de pre-oxidacao para obtencao da estrutura anodo-catodo integrada. Atraves dos parametros adequados, foi finalmente comprovada a viabilidade da otimizacao da tecnica HI-PS atraves das estrategias estudadas, possibilitando a fabricacao do dispositivo FE integrado contendo micropontas de alturas de aproximadamente 10 micrometros e apices da ordem de dezenas de nanometros circundadas pela estrutura do anodo com distancias de separacao de aproximadamente 20 micrometros. Com a otimizacao dos processos de fabricacao, almeja-se futuramente implementar o dispositivo FE integrado obtido por HI-PS no desenvolvimento de sensores compactos e de baixo custo e complexidade de fabricacao. / Vacuum sensors are widely used in industry and in scientific research, because they can be applied in several fabrication and analysis techniques, such as Scanning Electron Microscopy (SEM), electron beam lithography and mass spectrometry, for example. Among the large number of vacuum sensors, we can highlight the Field Emission Devices (FE), which are devices that emit electrons in vacuum environment when submitted to a high electric field. The literature reports several advantages of these devices: operation at room temperature, low power consumption, high current densities in small areas, and fast response times. Several microfabrication techniques allow obtaining FE devices, including the HI-PS (Hydrogen Implantation ¿ Porous Silicon) technique, which is remarkable due to its low complexity and cost. However, HI-PS presents some limitations when applied to obtain FE with integrated anode-cathode system: high number of process steps, high temperature and oxidation times, and mainly the poor electrical insulation between anode-cathode structures, which results in leakage currents through the bulk of these devices. In this context, this work shows strategies to improve the HI-PS technique for microfabrication of integrated FE devices. First, we use photoresist as mask for hydrogen ion implantation aiming at defects elimination and reduction of process steps. This strategy resulted in the selective formation of porous silicon and in obtaining microtips (cathodes) with 10 ìm height and apex around tens of nanometers, as verified by Scanning Electron Microscopy (SEM). In addition, photoresist was tested as dielectric between anodecathode structures, but the high leakage current measured hindered the use of this material for the proposed application. The main strategy researched to improve the electrical insulation between anode-cathode structures was the use of oxidized porous silicon (Ox-PS) as dielectric. To obtain Ox-PS, we studied oxidation parameters such as temperature, time, pre-oxidation, and post-oxidation annealing. Optical Microscopy and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) were applied to analyze morphological aspects such as thickness, stability, etch rates and full oxidation of PS layers. A semiconductor parameter analyzer was used to characterize the leakage current from fabricated MOS devices. The Ox-PS obtained with T = 1000 °C, t = 1 h, and post-oxidation annealing in Forming Gas environment showed remarkable decrease of leakage current in comparison to the other oxidation conditions (from 30 nA to 0,125 nA), which demonstrates potentiality for the proposed application. Additionally, a pre-oxidation process was introduced to improve structural stability of Ox-PS layers. After this implementation, the optimization viability of HI-PS technique was finally proved, allowing obtaining an integrated FE device with microtips with 10 micrometers height and apex about tens of nanometers surrounded by the anode structure. The separation distance between anode-cathode structures was about 20 micrometers. With the optimization of fabrication process, we intend to implement hereafter the integrated FE device obtained by HI-PS technique in the development of compact sensors with low cost and low fabrication complexity.

Neste trabalho foi desenvolvido um procedimento experimental para a fabricação de estruturas 3D de nanotubos de carbono crescidos sobre substrato de cobre e decorados com partículas de óxido de titânio. Foram relacionados os três tipos diferentes de NTCs nesta estrutura (simples, dopados com nitrogênio e tratados com plasma) com a deposição do TiO2 por ALD. Foram igualmente propostas três aplicações para esta estrutura. A síntese dos NTCs verticalmente orientados, dopados e não dopados, foi otimizada dentre alguns parâmetros de síntese como temperatura, agente oxidante e principalmente, o filme catalisador. A introdução de defeitos nos NTCP através do tratamento a plasma oxidativo foi avaliada frente a variáveis como pressão, potência e tempo de exposição. A relação entre os defeitos destes três tipos de NTCs e a deposição de TiO2 por ALD foi avaliada por microscopia eletrônica de transmissão, Raman, XPS e TGA. O procedimento experimental para confecção da estrutura 3D foi desenvolvido etapa por etapa via diversas técnicas experimentais, desde caracterização química, imagem, até testes empíricos. Na estrutura final, foram avaliadas as propriedades fotocatalíticas pela decomposição de corante orgânico em meio aquoso, propriedades capacitivas por voltametria cíclica e propriedades de emissão por campo através de curvas de campo elétrico por corrente de emissão e diagramas F-N. Foram obtidas florestas de NTCs de boa qualidade com até 0.5mm de altura, de diâmetros e número de paredes regulares. Nestes foi possível introduzir defeitos de maneira controlável, mantendo o arranjo da floresta. As florestas de NTCNx alcançam uma altura de até 0,3mm com concentração de nitrogênio de 2% tendo os nanotubos uma estrutura típica “bamboo-like”. Os resultados mostram a relação entre o tipo de defeito e a deposição de TiO2 por ALD, obtendo-se partículas cristalinas para os NTCP e NTCNx, sendo neste ultimo as partículas homogeneamente distribuídas e com tamanho uniforme, enquanto nos NTCOx forma-se uma densa camada de TiO2 composta por grandes grãos monocristalinos A partir de processo como tratamentos térmicos e transferência dos NTC de substrato foi possível obter uma estrutura 3D composta de uma camada carbono grafítico e NTC-VAs sobre um substrato de cobre, sem alterar o arranjo inicial das florestas. As amostras mostraram efeito de emissão de elétrons por campo elétrico, porém estas requerem uma análise mais quantitativa. Os ensaios de fotocatálise mostraram que a imobilização do TiO2 em um suporte denso inviabiliza a degradação do corante em meio aquoso. Os NTCNx apresentaram maior capacitância que as mostras de NTCP, e o TiO2 foi aparentemente ineficaz para a melhoria desta propriedade. / In this work, we propose an experimental procedure for fabrication of 3D carbon nanotubes structures anchored with titanium oxide particles, on a copper substrate. We correlate three different types of CNTs from this structure (pristine, doped with nitrogen and treated with plasma) with the deposition of TiO2 by ALD. It was yet suggested, three applications for this structure. The synthesis of vertically aligned CNTs, doped and undoped, was optimized among several synthesis parameters such as temperature, oxidizing agent and specially, the catalyst film. The introduction of defects in NTCP by oxidative plasma treatment was evaluated against variables such as pressure, power and exposure time. The association between the defects from these three types of CNTs and the deposition of TiO2 by ALD was assessed by transmission microscopy, Raman, XPS and TGA. The experimental procedure for assembling the 3D structure had been studied step by step by various techniques, from chemical and imaging, up to empirical testing. In the final structure, the photocatalytic properties were evaluated by the organic dye decomposition in an aqueous medium, capacitive properties by cyclic voltammetry and field emission properties through electric field versus emission current curves and F-N diagram. Was obtained high quality NTCs with a height up to 0.5mm with regular diameters and number of walls. On these, it was introduced, in a controllable way, a high amount of defects without jeopardizing the forest structure. The NTCNx forest reach a 0,3nm height with a 2% nitrogen concentration in its typical structure “bamboo-like”. The results show the relation between the type of defect and the deposition of TiO2 by ALD, forming crystalline particles over the NTCP and NTCNx, in this last evenly distributed with uniform size, while on the NTCOx is is formed a dense TiO2 layer shaped by large monocrystalline grains. By process such as heat treatments and CNT transferring was achieved a 3d structure composed by a graphitic carbon layer and VACNTs over a cupper substrate, without disturb the forest assembly. The samples showed electron field emission effect, but its assessment for quantitative analysis was limited to technical issues. The photocatalysis tests showed that immobilization of TiO2 on a dense support prevents the dye degradation in an aqueous medium. The NTCNx shown higher capacitance than NTCP, and the TiO2 was apparently ineffective for improvement of this property.