A determinação experiemntal da seção de choque de produção de raios X induzida por feixe de íons tem sido objeto de vários trabalhos nas últimas décadas, tendo em vista que este é um dos principais fatores que afetam a quantificação composicional de uma análise PIXE baseada em parâmetro fundamentais ( standardless). Compilações recentes de dados indicam a necessidade de um maior número de medidas experimentais das seções de choque de produção de raios X das várias camadas eletrônicas e com incidência de prótons e partículas alfa, dos coeficientes de fluorescência, Coster-Kronig e frações de intensidade de linhas. Avanços tecnológicos e computacionais permitem a atualização destas bases de dados, facilitama revisão da literatura, a comparação entre trabalhos e abordagens mais refinadas de parâmetros até o momento negligenciados. Por exemplo, a produção de filmes homgêneos ultrafinos (da ordem de alguns nm), que satisfazem as aproximações necessárias para obtenção experimental de parâmetros atômicos; a produção de detectores Si(Li) sem região inativa de detecção (dead layer); o desenvolvimento de códigos de ajuste para uso em computadores pessoais, que tenham a capacidade de ajuste de muitas linhas simultâneas com funções não-analíticas, e que levam em conta fenômenos físicos de processo de detecção. Este trabalho se utilizou desses avanços, tendo como objetivo principal a determinação experimental de seções de choque de produção de raios X das camadas eletrônicas K e L pela incidência de prótons e partículas alfa, para elementos selecionados. Os resultados obtidos contribuíram para preencher lacunas observadas nas bases de dados experimentais bem como propor valores de coeficientes de flourescência que permitiram maior concordância dos dados com os modelos teóricos Com o detalhamento da função resposta do detector, que passou a levar em conta a coleção incompleta de cargas no detector, foi possível constatar os efeitos de ionização múltipla dos átomos da amostra. Embora a importância desse efeito em PIXE seja reconhecida na literatura, ele é raramente percebido com detectores de Si(Li). A aplicação de parâmetros fundamentais em análises PIXe standardless foi estudada relacionando a concentração de elementos traço com a cor de amostras de opala do RS.

Esta tese de doutorado versou sobre a obtenção e caracterização do semicondutor ZnO obtido por biomimetização de membranas da cascas de ovos (MCOs) e a sua aplicação como coletor fotovoltaico do tipo sensibilizado por corante. Na síntese do ZnO, as MCOs foram submergidas em uma solução contendo os íons precursores de Zn. As membranas atuaram como um biotemplate, servindo como base para que o ZnO tivesse sua nucleação e crescimento na forma de nanocristais. Foram investigados dois diferentes precursores de Zn (nitrato de zinco hexahidratado e acetato de zinco dihidratado) e verificou-se a influência do tratamento térmico na formação do ZnO. Os materiais obtidos foram caracterizados quanto à sua morfologia, área superficial, porosidade e propriedades óticas em função do tratamento térmico praticado. Para efeito de comparação, foi obtido TiO2 por biomimetização de cascas de ovos, além de ZnO por processo de precipitação. As amostras que foram preparadas utilizando o biotemplate apresentaram como características, pequeno tamanho de domínio cristalino e larga área superficial em comparação com as amostras de ZnO preparadas por precipitação. As propriedades óticas e cristalinidade apresentadas pelo ZnO obtido por biomimetização são comparáveis às da fase anatase do TiO2 e portanto compatíveis com a aplicação em células fotovoltaicas sensibilizadas por corante (DSSC – Dye sensitized solar cells). Para a formação de um filme fino e poroso, o ZnO obtido pela biomimetização das MCOs foi então depositado pela técnica de screen printing sobre um substrato cerâmico preparado para servir como uma cerâmica solar baseada nas DSSCs. A preparação da base de uma DSSC sobre uma placa cerâmica foi possível pela deposição de uma camada metálica, produzida por aspersão térmica sobre o substrato cerâmico, e pela deposição de uma fina camada de ZnO por serigrafia. A aspersão térmica se mostrou uma técnica eficiente, obtendo uma boa ancoragem do metal aspergido sobre o substrato cerâmico esmaltado, demonstrado por análise EDS que ocorre difusão do metal depositado na camada esmaltada significando inclusive uma ancoragem química. A deposição por serigrafia da camada de ZnO porosa mostrou-se um método simples e barato obtendo-se camadas com morfologia razoável para a aplicação em DSSCs. Um melhor controle do tamanho dos poros pode ser obtido, otimizando-se ainda mais a pasta e a calcinação da peça. / This doctoral thesis dealt about the obtaining and characterization of ZnO semiconductor obtained by biomimetization of eggshell membranes (ESMs) and its application as photovoltaic collector in dye sensitized solar cells (DSSCs). In the synthesis of ZnO, the ESMs were submerged in a solution containing the precursor ions of Zn. The membranes acted as a biotemplate, serving as basis for the ZnO had their nucleation and growth in the form of nanocrystals. We investigated two different precursors of Zn (zinc nitrate hexahydrate and zinc acetate dihydrate) and verified the influence of thermal treatment on the formation of ZnO. The materials were characterized according to their morphology, surface area, porosity and optical properties, as a function of the thermal treatment practiced. For comparison, TiO2 was obtained by biomimetization of ESM, and ZnO by precipitation process. The samples that were prepared using the biotemplate presented as characteristics small crystallite size and large surface area in comparison to the samples prepared by precipitation of ZnO. The optical properties and crystallinity presented by ZnO obtained by biomimetization are comparable to those of anatase phase of TiO2 and therefore compatible with the application in dye-sensitized solar cells (DSSC - Dye sensitized solar cells). ZnO obtained by biomimetization of ESMs was then used with the screen printing technique to form a thin porous film on a ceramic substrate, prepared to serve as a solar ceramic based on DSSCs. The preparation of a DSSC basis on a ceramic substrate was possible by the deposition of a metal layer by thermal spray on the ceramic substrate, and the deposition of a thin layer of ZnO by screen printing. The thermal spray proved to be an effective technique, getting a good anchoring of the metal sprayed on the glazed ceramic substrate, demonstrated byEDS analysis that diffusion occurs of the metal into the glazed ceramic substrate meaning chemical anchoring. The deposition by screen printing of the porous ZnO layer has shown to be a simple and inexpensive method yielding layers with reasonable morphology for use in DSSCs. A better control of pore size can be obtained by optimizing even more the paste and calcination of the samples.

O presente estudo aborda a evolução temporal de filmes finos compostos por materiais ferroantiferromagnéticos que apresentam interação de troca, visando a melhor compreensão da origem desse comportamento. Técnicas como a de irradiação iônica e tratamento térmico foram utilizadas para a modificação dos sistemas magnéticos em questão. Após submetidos a essas ferramentas de indução do efeito de exchange bias (viés de troca), as amostras foram expostas a campos magnéticos durante determinado intervalo de tempo `a temperatura ambiente. Após realizada a exposição, a medida de histerese magnética era feita, seus os campos de interesse foram computados, e os resultados são expostos frente ao tempo de exposição há campo magnético. As amostras apresentaram comportamentos distintos dependentes das técnicas de indução. Após irradiação iônica, o estado magnético permanece instável, devido a configuração energética imposta pela irradiação; desse modo efeitos térmicos de baixa amplitude podem fornecer energia para que a camada ferromagnética mude as orientações das magnetizações de grãos interfaciais. Por outro lado, o tratamento térmico promoveu ao sistema de interesse uma configuração energeticamente estável, eliminando ou reduzindo os efeitos térmicos induzidos pós-tratamento. Além disso, o desenvolvimento de uma ferramenta computacional foi necessário na tentativa de obtenção dos resultados obtidos experimentalmente. Este software usa como base a bem conhecida teoria do micromagnetismo a qual, auxiliada pela equação de Landau-Lifshitz-Gilbert, é uma ótima ferramenta tanto para prever como para reproduzir o comportamento de sistemas magnéticos. Todos os procedimentos para o desenvolvimento desse software encontram-se definidos nas seções seguintes, incluindo um método de soma em memória compartilhada, o qual visa melhorar o desempenho computacional para o cálculo dos efeitos provinientes de interações dipolares. Para finalizar, resultados experimentais e computacionais são expostos, mostrando a meta-instabilidade presente nos sistemas magnéticos abordados. / The present study examines the temporal evolution of thin magnetic films composed by ferro and antiferromagnetic materials that present exchange interactions, aiming a better understanding of the origin of their behavior. Techniques such as ion irradiation and magnetic annealing were used for modification of the systems studied. Once used such tools for initialization of the exchange-bias effect, the samples were exposed to magnetic fields during a certain time interval at room temperature. Subsequently, room temperature magnetization hysteresis loops were measured and the corresponding fields of interest were extracted. Depending on the different exchange-bias induction techniques, the samples showed distinct behaviors. After light ion irradiation, the magnetic state remained unstable, most probably due to thermal fluctuations that can alter the magnetic orientation of interface grains. The annealing, from other side, enabled a favorable energy configuration of the system, eliminating or reducing post-treatment thermally-induced effects in our the systems. Moreover, the development of a computational tool turned to be necessary when attempting to reproduce the experimental results. This software built is based on the well-established micromagnetic theory which, by additionally utilizing by the Landau-Lifshitz-Gilbert equation, represents a powerful tool used to predict and/or reproduce the behavior of magnetic systems. All procedures for the development of this software are defined in the following sections, including a shared memory programming, developed in order to increase the computational performance when reproducing dipolar interaction effects. Finally, experimental and simulation results are presented, demonstrating the metastable states of the magnetic systems studied here.

O principal objetivo deste trabalho é usar a explosão coulombiana do feixe de H+2 , para determinar o tempo de trânsito de fragmentos que atravessam filmes amorfos e consequente extrair a espessura e densidade do filme analisado. Neste trabalho é demonstrado a aplicabilidade desta técnica (chamada Perfilometria de Coulomb) para feixes moleculares de baixa energia. Neste caso efeitos de neutralização e espalhamento múltiplo devem ser considerados. Também é demonstrado o papel das forças de arrasto para todas as energias. Para este objetivo, foram utilizados feixes moleculares de H+2 de 50 - 200keV/u incidindo sobre filmes de TiO2 (10nm) e Al2O3 (3,4 nm) e medimos a energia dos fragmentos retroespalhados (H+) com uma técnica de alta resolução em energia, MEIS (Espalhamento de Íons de Energia Média). O efeito de neutralização no feixe, ao longo do caminho de entrada, foi claramente observado à baixas energias. Todos estes efeitos foram implementados em um programa Monte-Carlo, utilizado para gerar os valores da dispersão da perda de energia, causada pela repulsão entre os íons. Os resultados foram compatíveis aos obtidos por medidas de TEM. Também foram realizadas medidas para quantificar o efeito que a proximidade entre os componentes dos feixes H+2 , H+3 e HeH+ tem no poder de freamento (do fragmento H+). Estas medidas foram realizadas com o objetivo de obter a assinatura de excitação de plasmons, recentemente observada em um filme de SiO2. Para este objetivo, a técnica de MEIS foi usada para medir a razão entre a perda de energia do feixe molecular e a soma da perda de energia de seus constituintes, para um intervalo de energia entre 50 e 200 keV/u. / The main aim of this work is to use the Coulomb explosion of small cluster beams to measure the dwell time of fragments traversing amorphous films. It has been demonstrated that, the thickness of thin films can be obtained with the so-called Coulomb depth profiling technique using relatively high energies clusters where the fragments are fully ionized after breakup. Here we demonstrate the applicability of Coulomb depth pro ling technique at lower cluster energies, where neutralization comes into play. The importance of wake forces is also discussed in this work. To that end, we used 50-175 keV/u H+2 molecular ions impinging on a 10nm TiO2 and on a 4nm Al2O3 lms and measured the energy of the backscattered H+ fragments with a high energy resolution using MEIS techinique. The e ect of the neutralization of the H+ fragments along the incoming trajectory before the backscattering collision is clearly observed at lower energies through the decrease of the energy broadening due to the Coulomb explosion. The reduced values of the Coulomb explosion combined with full Monte-Carlo simulations provide compatible results with those obtained at higher cluster energies where neutralization is less important. The results are corroborated by Transmission Electron Microscopy (TEM) measurements. We have also performed meassurements of vicinage e ect on the stopping power, which arises when H+2 , H+3 e HeH+ cluster ions interact with both films and in order to understand the transition of negative and positive interferences found recently by Shubeita et al in SiO2. For this purpose, MEIS was used to measure the ratio, Rn, between the energy loss of the cluster and the sum of the energy loss of its constituents, at energy range between 50 and 200 keV per nucleon. We have also observed a steep increase around 90 keV for both cluster ions and films, which is associated with the plasmon excitation threshold.

Visando determinar os valores ótimos para o processo de serramento de anéis bobinados de filme metalizado ultrafino de alumínio com dielétrico de poliéster a partir das condições atuais do processo de fabricação de capacitores pela empresa Epcos do Brasil, realizou-se a avaliação de diferentes tipos de serras circulares variando-se a velocidade de rotação (n) e o tempo de corte (tc). Desenvolvido projeto de experimento desses três fatores a fim de obter o resultado das interações entre eles quanto à resistência de isolamento (Riso) das peças cortadas. A serra de 160 dentes de metal-duro com revestimento de filme de carbono tipo diamante (DLC) apresentou os melhores resultados quanto à “Riso” acima de 0,378 G e quanto ao número de peças com valor abaixo deste. Constatou-se que “n” não influencia significativamente para a distribuição de “Riso”; porém, gera menos peças abaixo do especificado. Já “tc” não influencia significativamente o processo. Quanto ao tipo de dente, o perfil reto obteve melhor resultado para lâminas de serra com 80 dentes e perfil curvo para lâminas com 160 dentes. Já a espessura da lâmina não influenciou de forma expressiva o processo. A lâmina de aço-rápido apresentou adesão de alumínio na lateral do corpo da serra e, consequentemente, adesão de material na superfície de corte. As lâminas de metal-duro sem revestimento apresentaram falhas no filme metalizado por causa do atrito gerado entre a superfície de corte e a lateral da lâmina; esse inconveniente é eliminado quando ela é revestida com filme DLC apresentando melhorias quanto à “Riso” das peças para “n” menores. Também houve adesão de alumínio na parte inferior do dente devido a uma delaminação da camada de filme DLC. / In order to determine the optimal values for the sawing process of wound rings of metalized ultra-thin film with dielectric of polyester from current conditions of capacitor manufacturing process by Epcos company in Brazil, it was performed the evaluation of different types of circular saws varying the rotational speed (n) and the cutting time (tc). Developed experiment design methodology for these three factors in order to get the result of the interactions between them regarding to the insulation resistance (Riso) of cut parts. Through the analysis of the main effects, the cemented carbide saw with 160 teeth and diamond-like carbon (DLC) film coating showed the best results in terms of "Riso" above 0,378 G and regarding to the number of parts with value below the specified. It was found that "n" does not influence significantly the distribution of "Riso"; however, generates fewer parts below the specified. Now "tc" does not significantly influence the process. Regarding the tooth type, straight profile obtained better results for saw blades with 80 teeth and curved profile for blades with 160 teeth. However the thickness of the blade did not influence significantly the process. The high speed steel blade presented adhesion of aluminum on the side of the saw body and, consequently, adhesion of material on the cutting surface. The cemented carbide blades uncoated presented failures on metalized film because of the friction generated between the cutting surface and the side of the blade; this drawback is eliminated when it is coated with DLC film presenting improvements to the parts "Riso" for lower "n". There was also aluminum adhesion on the bottom of the tooth due to a delamination of the DLC film layer.

Esta dissertação de mestrado investigou a técnica de síntese de “florestas” de nanotubos de carbono (NTC) produzidos por deposição química de vapor catalisada sobre substratos planos (wafers) de silício monocristalino utilizando filmes finos de ferro como catalisador e hexano como precursor de carbono. Os parâmetros de síntese analisados foram: temperatura, espessura de filme catalisador e quantidade de hexano. A caracterização dos nanotubos foi feita por Espectroscopia Raman, Microscopia Eletrônica de Varredura e Transmissão. As florestas apresentaram uma grande dependência das nanopartículas formadas durante o aquecimento das amostras. Estas por sua vez dependem diretamente da temperatura e espessura do filme catalisador. A melhor dispersão de nanopartículas foi alcançada com a maior espessura analisada (3,7nm) e temperatura intermediaria (800ºC) A temperatura também controla a qualidade dos NTC’s formados e influencia na taxa de precursor convertido em carbono. O aumento desta produz NTC’s de menor diâmetro, mas maior quantidade de carbono amorfo. Já a quantidade de hexano depende apenas do carbono absorvido pelas florestas, sendo o ponto ótimo igual ao mínimo necessário pra formação destas. O uso de hexano possibilitou a produção de florestas formadas por nanotubos de parede múltipla (MWNTs) com um bom alinhamento e de qualidade superior quando comparados à MWNTs comerciais. NTC’s com parede simples também puderam ser produzidos, mas não sob a forma de florestas, pois na temperatura necessária para produzir-los há um grande acumulo de carbono amorfo. / This study has investigated the method for “forest-like” carbon nanotube (CNT) production synthesized by catalytical chemical vapour deposition over flat substrates as silicon wafers, with a thin layer of iron as catalyst and hexane as carbon source. The following parameters were evaluated: temperature, the thickness of the catalyst layer and quantity of carbon source (hexane) The carbon nanotube characterization was performed by Raman spectroscopy, Scanning and Transmission Electron Microscopy The CNT forests shown a big correlation with the nanoparticles formed at the heating stage. Their syntheses depend on the temperature and catalyst thickness as well. The best nanoparticles dispersion was reach with the thickest iron layer used (3,7nm) at intermediary temperatures (800ºC). The temperature also controls the quality of the synthesized CNT and plays an important roll in precursor conversion into carbon. As we increase the temperature, the CNT’s diameter gets thinner but the amount of amorphous carbon goes up. In the other hand, the concentration of hexane only affects the forest carbon consumption, with an optimal value equal to minimum quantity necessary for its formation. The hexane was able to synthesizes a forest-like multiwalls CNT’s (MWNT’s) with a good alignment and higher quality when compared with the commercial ones. Singlewalls CNT’s were also produced but they have no forest-like shape, once that at the higher temperatures required to produce them, a huge amount of amorphous carbon also appears.

Neste trabalho foram estudadas correlações entre estrutura e propriedades de certos revestimentos baseados em filmes finos cerâmicos, mais especificamente carbeto de vanádio, nitreto de silício e nitreto de titânio sobre titânio. As condições e parâmetros de deposição dos filmes, tais como composição e fluxo dos gases reativos, temperatura do substrato e outras, foram variados para obter filmes com composições, densidades e espessuras convenientes. As características físico-químicas dos filmes foram determinadas mediante a utilização de um grande número de ferramentas analíticas, descritas no texto. A avaliação do comportamento mecânico, tribológico e de resistência à corrosão dos filmes também foram determinadas por um apreciável número de métodos, os quais são descritos em detalhes no texto. Os resultados indicam algumas correlações importantes entre dureza, resistência ao desgaste e resistência à corrosão por um lado, e composição, densidade real e estrutura cristalina, por outro lado. Da mesma forma, foi possível estabelecer fatos novos sobre a adesão de filmes finos a substratos de aço e o transporte de diferentes espécies químicas envolvidas através de estruturas TiN/Ti/aço nitretado. Perspectivas para a continuidade do trabalho de pesquisa aqui relatado são discutidas no capítulo de Conclusões. / We report here on the investigation of correlations between structure and properties of certain coatings based on ceramic thin films, more specifically vanadium carbide, silicon nitride and titanium nitride on titanium. The films deposition conditions and parameters, such as the reactive gases compositions and flux, the substrate temperature during deposition and others, were varied in order to obtain films with convenient composition, density and thickness. The physicochemical characteristics of the films were determined by a large number of analytical techniques, as described in the text. The evaluation of the mechanical, tribologic, and corrosion behavior of the thin film coatings was also determined by a substantial number of techniques, all described in the text. The results indicate some important correlations between hardness, wear and corrosion resistance on one hand, and composition, real density, and crystalline structure on the other hand. In the same lines, it was possible to establish new facts about adhesion of thin film coatings on steel substrates and the transport of the involved chemical species across TiN/Ti/nitrided steel structures. The prospects for continuations of this work are discussed in the Conclusões chapter.

Neste trabalho, estudou-se o comportamento da ressonância de plasmon de superfície de camadas de nanopartículas metálicas de prata envoltas por dióxido de silício ou sobre superfícies desse material. Os filmes produzidos tiveram suas propriedades estruturais caracterizadas por microscopia eletrônica de transmissão, enquanto as propriedades ópticas foram investigadas por espectrofotometria. As nanopartículas apresentaram diâmetro médio de 8 nm e a ressonância de plasmon desses filmes estava deslocada em relação à previsão teórica do modelo de Maxwell Garnett. Esse deslocamento ocorreu em direções contrárias, dependendo se a direção do campo elétrico está paralela ou perpendicular ao plano de partículas, e foi atribuído à transferência estática de cargas e à interação dipolar entre as nanopartículas no sistema. A transferência estática de cargas foi considerada com base em dados estabelecidos na literatura para prata envolta por SiO2, ao passo que duas abordagens foram utilizadas para simular a posição da ressonância de plasmon de tais filmes. Ambas abordagens estão inicialmente baseadas no modelo de Maxwell Garnett, mas considerando a função dielétrica do metal modificada pela interação dipolar entre as nanopartículas. O primeiro modelo proposto adaptou o termo ImA – originalmente sugerido para descrever o deslocamento da ressonância de plasmon devido aos estados adsorvidos na superfície – para ajustar e simular as propriedades dos filmes produzidos. Esse modelo apresentou bons resultados para o campo elétrico paralelo ao plano das partículas, sobretudo para os filmes de nanopartículas de prata enterradas em SiO2. Entretanto, a posição do pico de ressonância para o campo elétrico ortogonal ao plano das partículas prevista pelo método com ImA, a incidências oblíquas da luz, não está em concordância com a posição da ressonância medida. A segunda abordagem conectou o modelo de Maxwell Garnett à teoria dipolar de interação entre as partículas em sistemas bidimensionais, desenvolvida por Persson e Liebsch. Essa abordagem permitiu descrever corretamente a posição da ressonância de plasmon, tanto para acoplamento perpendicular, quanto paralelo do campo elétrico no filme com nanopartículas e possibilitou relacionar as características estruturais da amostra aos parâmetros de simulação. Os modelos também foram aplicados em uma amostra que apresentou significativa deterioração após sua produção. A comparação entre as simulações e os resultados experimentais foi bastante satisfatória, dentro das aproximações impostas pelo modelo utilizado, como distribuição uniforme de partículas idênticas. Isso indica que essas abordagens representam uma ferramenta muito útil para determinar o comportamento de dispositivos baseados em filmes finos com nanopartículas metálicas. / In this work, the behavior of surface plasmon resonance from layers of silver nanoparticles embedded in silicon dioxide or on surfaces of silicon dioxide was studied. Structural properties of the produced films were characterized by transmission electron microscopy, while the optical properties were studied with a spectrophotometer. Results showed average nanoparticle diameter of 8 nm and that the plasmon resonance was shifted with respect to the predicted theoretical value. This plasmon resonance shifted in opposite direction, depending if the direction of the wave electric field is parallel or perpendicular to the film. This shift was attributed to the static charge transfer and to the dipolar interaction between the nanoparticles in the sample. The static charge transfer was considered by taking into account data from literature for Ag in SiO2, while two approaches were used to simulate plasmon resonance position. Both approaches were initially based in the Maxwell Garnett Model, but considering a modified dielectric function for the metal due to the dipolar interaction between the nanoparticles. The first model suggested to use the term ImA, which was originally developed to describe shifts in plasmon resonance due to adsorbate surface states, in order to fit or simulate the properties of the films. This model showed good results especially for films with silver nanoparticles buried into silicon dioxide, when the electric field was parallel to its plane. But, the position of the peak when the field is perpendicular to the film plane, at oblique incident angles, was not in accordance with the measured peak position. A second approach was developed aiming to connect Maxwell Garnett model to the theory of dipolar interaction between particles in bidimensional samples, developed by Persson and Liebsch. This approach allowed describing correctly the position of surface plasmon resonance for both, parallel or perpendicular coupling of electrical field in the film. It also allowed relating structural properties of the sample to the parameters of simulation. The presented model was also applied for a sample which presented significative deterioration. Comparison between simulated and experimental results is satisfactory within the limitation of the applied model (uniform distribution of identical particles). This indicates that this approach can represent a tool for predicting the behavior of devices based in thin films of metallic nanoparticles.

O processamento com pulsos de laser é uma técnica que possibilita o aquecimento de amostras a milhares de kelvins com extrema rapidez. Esta técnica, aliada ao confinamento de amostras submetidas a altas pressões, em urna configuração que possibilita o resfriamento ultrarrápido da amostra, permite explorar formas metaestáveis que possam se formar em condições extremas de pressão e temperatura. Lenz et al. mostraram que o processamento com pulsos de laser de filmes de carbono amorfo depositados sobre substrato de cobre, sob certas condições de pressão e temperatura, resultava na formação de um material com um espectro Raman bem definido. Apesar da semelhança do espectro Raman da espécie produzida nestes processamentos com o do poliacetileno, não foi identificada a fonte de hidrogênio para que esta fase pudesse se formar. Adicionalmente os processamentos com pulsos de laser geravam temperaturas muito acima do limite de estabilidade conhecidos para o poliacetileno. Essas questões levaram à suposição de que a espécie formada não seria poliacetileno, mas uma fase carbonácea desconhecida. Neste trabalho são apresentadas evidências que permitem a identificação positiva do poliacetileno como principal produto decorrente do processamento com pulsos de laser de filmes de carbono amorfo sobre substrato de cobre em ambiente confinado. O arranjo experimental, inicialmente desenvolvido por Lenz et al.. foi aperfeiçoado de modo a permitir um controle preciso dos parâmetros de processamento, bem como dos contaminantes, principalmente de umidade. presentes rias amostras e ria célula de pressão. O dispositivo experimental permitiu determinar a temperatura durante o processamento ajustando-se uma curva de Planck ao espectro da radiação térmica emitida pela amostra. Esse procedimento foi validado por meio da medida da temperatura de fusão da platina e do tungstênio. Este dispositivo permitiu processar com pulsos de laser amostras confinadas sob pressões e temperaturas de até 3 GPa e 5500 K, respectivamente. Por meio dele foi possível demonstrar a formação de poliacetileno entre 0,6 GPa e 1,1 GPa, e 1400 K a 2600 K. Além disso, observou-se urna forte dependência da formação de poliacetileno com a umidade presente no substrato. A contaminação com água foi identificada como principal fonte de hidrogênio necessária para a formação de poliacetileno. Experimentos realizados utilizando-se diferentes precursores orgânicos mostraram a influência da proporção C:H sobre os produtos do processamento com pulsos de laser. O confinamento de filmes finos no interior da célula de alta pressão com bigornas de safira proporcionou as condições para se obter taxas de resfriamento superiores a 1011 K/s. Estas taxas ultrarrápidas reduzem o tempo disponível para a difusão do hidrogênio para fora do sistema, o que torna possível explorar a produção e a estabilidade de espécies ricas em hidrogênio formadas no gás quente e denso confinado sob pressão gerado por pulsos de laser. Isto permitiu demonstrar experimentalmente que cadeias de poliacetileno são estáveis a alta temperatura, em um ambiente rico em hidrogênio, contrariando estudos anteriores. / Processing with laser pulses is a technique that allows heating of samples to thousands of kelvins extremely quickly. The pulsed laser heating of confined samples followed by ultrafast cooling constitutes an interesting route to explore the production of new phases and compounds. Indeed, in some cases the ultrafast cooling allows retaining at ambient conditions species that were produced under extreme conditions. Lenz et al. showed that processing with laser pulses of amorphous carbon films deposited on copper substrate under certain conditions of pressure and temperature resulted in the forrnation of a material with a fingerprint Raman spectra. Despite the similarity of the Raman spectrum of the species produced in this process with that of polyacetylene, the source of hydrogen for the production of this phase was not identified. In addition, the processing with laser pulses generates temperatures well above the stability limit of polyacetylene. These arguments led to the assumption that the species formed would not be polyacetylene, but an unknown carbonaceous phase. In this work, further evidentes are presented that allow a positive identification of polyacetylene as the main product of pulsed laser heating of carbon films in a confined environment in the presence of hydrogen. The experimental setup. first developed by Lenz et al. has been improved to allows a precise control of processing parameters, and contaminants, especially humidity, present in samples and pressure cell. The experimental setup allowed us to determine peak temperature, in situ, by fitting a Planck curve to the measured spectrum of thermal radiation emitted by the sample. The procedure for the measurement of peak temperature was validated by measuring the melting point of platinum and tungsten. This device allowed processing samples with laser pulses confined under pressures and temperatures of up to 3 GPa and 5500 K, respectively. It was possible to demonstrate the formation of polyacetylene between 0.6 GPa and 1.1 GPa and between 1400 K to 2600 K. In addition, we observed a strong dependente of the formation of polyacetylene with humidity present in the substrate. The water contamination was identified as the rnain source of hydrogen required for the formation of poliacetylene. Experiments carried out using different organic precursors showed that the products depend on the ratio C:H. The confinement of thin film samples inside the high-pressure cell provided quenching rates estimated to be around 1011 K/s. This fast cooling considerably reduces the time available for hydrogen diffusion out of the system, thus making it possible to quench hydrogen rich species formed in the hot, dense gas confined under high pressure and generated by the high power density, nanosecond laser pulse. This allowed to demonstrate experimentally that polyacetylene chains are stable at high temperature in a hydrogen rich environment, contrarily to previous studies.

Traçagem isotópica foi usada para investigar o transporte atômico durante o crescimento térmico de filmes de oxinitreto de silício em lâminas de silício previamente implantadas com íons de nitrogênio a energias muito baixas, na faixa de 1/30 até 1 monocamada, e durante a etapa final de fabricação de filmes ultrafinos de óxido/nitreto/óxido sobre silício. Íons 15N+ a 20 eV foram implantados em substratos previamente limpos de Si (001) e oxidações térmicas foram realizadas em 18O2 seco. Deposição de nitrogênio foi também realizada sobre uma fina camada de 29Si, obtida por implantação a energia muito baixa em silício natural. As quantidades de nitrogênio e de oxigênio nos filmes foram determinadas por Análise por Reação Nuclear e os perfis de concentração de 15N, 18O e 29Si foram determinados com resolução sub-nanométrica por Perfilometria em Profundidade por Reações Nucleares com Ressonâncias Estreitas. Uma redução progressiva da taxa de oxidação com o aumento da densidade superficial de nitrogênio implantado foi observada. A traçagem isotópica mostrou os detalhes da redistribuição do nitrogênio, revelando que, durante o crescimento do filme, nitrogênio e oxigênio são responsáveis pelo transporte atômico, enquanto o silício permanece imóvel. Foi observado um novo mecanismo de crescimento do filme, não ativo no crescimento térmico de filmes de óxido de silício puro. As mesmas técnicas de análise foram usadas para estudar uma estrutura inicialmente “empilhada” Si/Si16O2/Si3 15N4, a qual foi oxidada termicamente em 18O2 seco, de modo a se investigar a influência do tempo e da temperatura de tratamento sobre as distribuições de 16O, 18O e 15N. Foi verificado que o tratamento térmico induziu transporte atômico e que a estrutura final não era “empilhada”, mas, sim, um filme ultrafino de oxinitreto de silício, de composição variável, que apresenta concentrações moderadas de nitrogênio nas regiões próximas à superfície e à interface e concentração de nitrogênio mais elevada no volume do filme. / Isotopic tracing was used to investigate atomic transport during the thermal growth of silicon oxynitride films on silicon wafers implanted with very low energy nitrogen ions in the 1/30 to 1 monolayer range and during the final fabrication step of ultrathin silicon oxide/nitride/oxide films. 15N+ ions at 20 eV were implanted into previously cleaned Si (001) substrates and thermal oxidations were performed in dry 18O2. Nitrogen deposition was also performed on a thin 29Si layer obtained by low energy ion implantation on natural Si. The amounts of nitrogen and oxygen in the films were determined by Nuclear Reaction Analysis and the 15N, 18O, and 29Si concentration profiles were determined with sub-nanometric resolution by Narrow Nuclear Resonance Depth Profiling. A progressive reduction of oxidation rate with increasing areal density of implanted nitrogen was observed. Isotopic tracing showed the details of nitrogen redistribution in the films, revealing that only nitrogen and oxygen are mobile during growth, while silicon remains immobile. A new mechanism of film growth, not active in the thermal growth of pure silicon oxide films, was observed. The same techniques of analysis were used to study an initially stacked Si/Si16O2/Si3 15N4 structure which was thermally oxidized in dry 18O2, in order to investigate the influence of time and temperature of treatment on the profiles of 16O, 18O, and 15N. It was shown that thermal treatment promoted atomic transport and that the final structure is not a stacked one, but rather a silicon oxynitride ultrathin film with variable composition, presenting moderate concentrations of nitrogen in the near-surface and near-interface regions, and a higher nitrogen concentration in the bulk.