Orientador: Luiz Carlos Kretly / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-07-22T13:43:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Guerra_ChristianoPereira_M.pdf: 6651851 bytes, checksum: 056aa6396a14b183f6bf2f41db49b247 (MD5) Previous issue date: 1996 / Resumo: O propósito deste trabalho foi estudar a aplicação da técnica de implantação de íons para a modificação de índice de refração em substratos vítreos e cristalinos, possibilitando o guiamento óptico. Foram implantados íons de HE + com energia variando entre 30 e 190 KeV e doses entre 1,0x10 16 e 2,5x10 16 íons/cm 2 em lâminas de sílica vítrea e quartzo cristalino com cortes perpendiculares aos eixos x, y, e z. Para a caracterização óptica foram feitas medidas dos modos de propagação TE (transversal elétrico) e TM (transversal magnético) de um feixe laser AR + sintonizado em ? 488,0 nm, através do método 'dark modes'. Foram estudados os efeitos da variação de dose, energia e recozimento nos modos propagantes na camada modificada. Foram utilizados diferentes técnicas de espectroscopia infravermelho para analisar as modificações estruturais dos silicatos pelo bombardeamento dos íons de hélio. Análises por difração de raio-X também foram utilizadas para analisar a estrutura do cristal de quartzo puro e modificado pela implantação dos íons / Abstract: The purpose of this work was to study the technical application of íon implantation to modify the refraction index on vitreous and crystallines substrates, allowing the optical guidance. We have implanted HE + ions with energies from 30 to 190 KeV and doses from 1.0x10 16 to 2.5x10 16 ions/cm 2 in vitreous silica and crystalline quartz substrates, with perpendicular cut to the X, Y and Z axis. To optical characterization, it have been made refraction index measurements on Transveral Eletric (TE) and Transversal Magnetic propagation modes of an orgon ion laser beam, at ? 488,0 nm, through the Dark Modes method. We have studied the dose variations, energy and annealing effects on the propagation modes in the modified layer. We have also used different techniques on the infrared spectroscopy to analyze the structural modifications on the silicates by the helium ions bombardment. Analysis by X ray diffraction have also been used to analyze the single quartz crystal and modified by the ions implantation / Mestrado / Mestre em Engenharia Elétrica

Neste trabalho foram fabricados e caracterizados eletricamente capacitores MOS com óxido de silício ultrafino (2,6 nm) com porta de silício policristalino (Si-poli) P+ e N+. Os capacitores MOS com porta de Si-poli dopados com boro tiveram a estrutura Si-poli/SiO2/Si previamente implantada com nitrogênio nas doses de 1.10\'POT.13\', 1.10\'POT.14\', 1.10\'POT.15\' e 5.10\'POT.15\' at.cm-², com o pico da concentração de nitrogênio próximo à interface SiO2/Si. Os capacitores MOS foram fabricados sobre lâminas de silício do tipo p que passaram por uma limpeza química préoxidação tipo RCA mais imersão final em solução diluída em HF. Na seqüência, as lâminas foram oxidadas em um ambiente de O2 (1,5 l/min) + N2/H2 (2l/min; 10 %) que proporcionou óxidos de silício com excelentes características elétricas. Para a fabricação dos capacitores MOS com porta de Si-poli P+, utilizou-se SOG de boro seguido por difusão térmica sobre camada de Si-poli (340 nm). Após testes com receitas de difusão a 950, 1000, 1050 e 1100 °C todas padronizadas por um tempo de 30 min optamos por realizar a difusão a 1050 °C por 30 min, pois essa receita proporcionou concentração de boro superior a 1.10\'POT.20\' at.cm-³ e segregação desprezível do boro em direção ao substrato de Si. A dopagem dos capacitores MOS com porta de Si-poli N+ foi realizada por aplicação do SOG de fósforo seguido por difusão a 1050 °C por 30 min. Os resultados indicaram segregação do boro desprezível para o Si, baixa densidade de estados de interface (< 1.10\'POT.11\' eV-¹ cm-²) e no aumento do campo elétrico de ruptura (de 14 MV/cm para 21 MV/cm) com o aumento da dose de nitrogênio (de 1.10\'POT.13\' a 5.10\'POT.15\' at/cm²). Embora ocorresse uma maior dispersão e um aumento desfavorável da tensão de banda plana com o aumento da dose de nitrogênio, os valores 1.10\'POT.15\' e 5.10\'POT.15\' at.cm-² resultaram em capacitores MOS com tensão de faixa plana próxima ao parâmetro diferença de função trabalho (\'fi\' MS) significando densidade efetiva de cargas no dielétrico de porta inferior à cerca de 1.10\'POT.11\' cm-². / In this work we manufactured and electrically characterized MOS capacitors with ultrathin silicon oxides (2,6 nm) and polysilicon gate (Si-poli), P+ or N+. P+ - doped polysilicon gate MOS capacitors (Si-poli/SiO2/Si structure) were previously implanted with nitrogen using doses of 1.10\'POT.13\', 1.10\'POT.14\', 1.10\'POT.15\' and 5.10\'POT.15\' at.cm-², and implantation peak centered close to the SiO2/Si interface before boron doping. The MOS capacitors were fabricated on p-type silicon wafers, which were submitted to RCA - based cleaning procedure and a final dip in diluted HF solution. Following, the wafers were oxidize in ultrapure O2 (1,5 l/min) + N2/H2 (2l/min; 10 %) having, as a result, silicon gate oxides with excellent electrical characteristics. To obtain P+ polysilicon, it Spin On Glass (SOG) of boron the wafers was annealed at 950, 1000, 1050 or 1100 °C during 30 min. We have chosen a diffusion recipe of 1050 °C during 30 min to obtain volumetric concentration of boron higher than 1.10\'POT.20\' cm-³ and no boron segregation to the silicon. N+ polysilicon was also obtained using phosphorus SOG and diffusion at 1050 °C during 30 min. As a result, besides no boron segregation to Si, the interface states density was low (< 1.10\'POT.11\' eV-¹cm-²) and the breakdown field of the gate oxides increased (from 14 MV/cm to 21 MV/cm) by increasing the nitrogen doses (from 1.10\'POT.13\' to 5.10\'POT.15\' at/cm²). Although a larger dispersion and increasing of the flat-band voltage have occurred as the nitrogen dose was increased, values of 1.10\'POT.15\' and 5.10\'POT.15\' at.cm-² induced flat band voltage close to the parameter workfunction difference (\'fi\'MS) which meant effective charge density in the gate dielectrics lower than about 1.10\'POT.11\' cm-².

Orientador: Jacobus Willibrordus Swart / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-07-24T23:49:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Redolfi_AugustoCesar_D.pdf: 13702909 bytes, checksum: 400d3780f93de7155a7690566d26c6e0 (MD5) Previous issue date: 1999 / Resumo: Foi estabelecido um processo para a fabricação em laboratório de Transistores Bipolares de Heterojunção (HBTs), em AIGaAs/GaAs. O trabalho consistiu basicamente do estudo das etapas elementares de fabricação. Foi projetado um conjunto de máscaras incluindo dispositivos em diferentes tamanhos e estruturas de teste. Com este conjunto de máscaras, as etapas de processamento de HBTs foram estudadas e transistores HBT foram fabricados. Foi analisado um método para se determinar com precisão o ponto de parada de etch úmido, consistindo da medida da currente reversa em um diodo Schottky formado entre a superfície semicondutora e uma ponta de tungstênio. Com este método foi possível expor com precisão a camada de base. A abertura de vias de contato em paredes em ângulo controlado foi obtida transferindose o ângulo de inclinação de uma parede de fotorresiste para a parede da via em polyimide. Estruturas de metal para contatos ôhmicos baseadas em AuGe, para contatos n+ e Ti/Pt/ Au, para camadas p+, ambas obtidas por evaporação por feixe de elétrons, seguida de um ciclo térmico para liga ou sinterização, foram analisadas para o uso em dispositivos de pequena geometria ...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: A process was established for the fabrication in laboratory of Heterojunction Bipolar Transistors (HBTs) with the AIGaAs/GaAs system. The work consisted basically of the study of elementary processing steps. A mask set was designed including devices in different sizes and test structures. With this mask set, the processing steps for HBT fabrication were studied and HBT transistors were obtained. A method to stop wet etching precisely on the base layer was analysed. This method consists of measuring the reverse currente in a diode formed between the surface of the layer being etched and a tungsten probe and allowed precise base layer exposure. The opening of contact vias with precise wall angle control was achieved by tranfering the pattern of a photoresist tilted wall to a polyimide via. Contact metallization strucures based on AuGe for n+ layers and Ti/Pt/ Au for p+ layers, produced by e-beam evaporation followed by an alloy or sinthering cycle was analysed for usage in small geometry devices and contact resistivity as low as 1x ?10 POT. ?6? ?ômega? ?cm POT.2? were achieved for both cases. An empirical model was developed, implemented and tested to simulate the behavior of fabricated devices. This model includes the self-heating effect and is suitable for use with CAD tools. ...Note: The complete abstract is available with the full electronic digital thesis or dissertations / Doutorado / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientadores: Lisandro Pavie Cardoso, Rossano Lang Carvalho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T10:35:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CalligarisdeAndrade_Guilherme_M.pdf: 21575111 bytes, checksum: b393b34194bc7dab77ca356bced5b375 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O alto controle e reprodutibilidade envolvidos nas técnicas de implantação e de irradiação iônica fazem com que elas sejam muito utilizadas por permitir modificação estrutural de semicondutores, possibilitando, por exemplo, a geração de defeitos estruturais que atuam como centros de recombinação radiativa de portadores para aplicação em eficientes dispositivos emissores de luz baseados em Silício. Igualmente necessária é a caracterização estrutural desses materiais modificados, como os sistemas provenientes de engenharia de defeitos, promovendo um correto e abrangente entendimento que irá contribuir para a otimização dos seus processos de síntese. Nesse contexto, e motivados por resultados recentes, o presente trabalho visa aplicar técnicas de raios-X com boa resolução no estudo de defeitos gerados pelos processos de implantação e irradiação em dois sistemas distintos baseados em Silício. O primeiro sistema, em que amostras de Si(001) foram implantadas com Fe+ e irradiadas com Au++, mostrou uma forte absorção na região de UV (maior para a amostra implantada e irradiada) durante seus estudos preliminares de reflectância óptica UV-Vis. O segundo, em que amostras de Si(001) implantados com Xe+ e submetidas a posterior tratamento térmico de 600, 700 e 800 ºC/30 min, foi motivado por trabalhos do grupo de pesquisa do Laboratório de Implantação Iônica - UFRGS, em que íons de He e Ne produziram nanobolhas no Silício monocristalino. Foram utilizadas as técnicas de Refletividade de Raios-X (XRR), Difração de Raios-X com Incidência Rasante (GIXRD), além de varreduras no espaço recíproco Q-scans e Mapeamentos do Espaço Recíproco (RSM) que utilizam geometria de alta resolução. Também foram realizadas varreduras Renninger e mapeamentos ?:?, ângulos incidente (?) e azimutal (?) acoplados, da Difração Múltipla de Raios-X (XRMD) utilizando Radiação Sincrotron. A Fluorescência de Raios-X (XRF) e a Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) também foram utilizadas como técnicas complementares. Os resultados do primeiro sistema (Fe+/Au++) para a XRR distinguiu as diferentes regiões geradas pelos processos de implantação/irradiação de íons. A análise das amostras implantada e irradiada e a apenas irradiada foi feita: i) por medidas de Q-scan para a reflexão (004) e mostrou a contribuição de uma região distorcida (RD) na direção normal à superfície com a? = 5,4235(4) Å, com perfil diferente para cada uma delas; ii) por RSM e mostrou contribuições diferentes no padrão de intensidade, na direção QX (direção paralela), para essas mesmas amostras; iii) por mapeamentos ?:? da XRMD na exata condição de 4-feixes (000)(002)(1 1 1)(1 13) e mostrou a ocorrência inédita, para este sistema, de um pico de reflexão híbrida coerente (CHR) do tipo substrato/camada (SL), envolvendo o caminho (1 13)S + (11 1)L . Os resultados do segundo sistema (Xe+) para medidas de: i) RSM e ii) Q-scans com a reflexão assimétrica (113) da amostra como-implantada mostraram a contribuição dos defeitos pontuais gerados pela implantação. Nas amostras tratadas termicamente mostraram a recristalização da rede do Si com o tratamento térmico (direção perpendicular), além de evidenciar a formação de uma região tensionada com a? = 5,425(2) Å (800 ºC/30 min); iii) mapeamento ?:? mostraram o aumento da densidade de defeitos com a temperatura de recozimento, tanto pelo espalhamento difuso no caso 3-feixes (000)(002)(1 11) , quanto pela ocorrência de extinção primária no caso 4-feixes (000)(002)(1 1 1)(1 13) . Imagens de seção transversal (TEM) em associação com análise elementar por Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) confirmaram a presença de nanodefeitos, possivelmente do tipo {111} e {113}, e a formação de nanobolhas de Xe, que por sua vez devem ser os responsáveis pela tensão compressiva observada por RSM / Abstract: The high reproducibility and control involved in ion implantation and irradiation techniques, makes them to be widely used to allow structural modification of semiconductors, enabling, for instance, the generation of structural defects that act as radiative recombination centers of carriers for application in efficient Silicon-based light emitting devices. Equally necessary is the structural characterization of these modified materials, such as engineered-defects systems, promoting an accurate and comprehensive understanding that will contribute to the optimization of their synthesis processes. In this framework, and motivated by recent results, the present work intends to apply highresolution X-ray techniques on the study of the defects created by ion implantation/irradiation process into two distinct Silicon-based systems. The first system consists of Fe+-implanted and/or Au++-irradiated Si(001) samples that exhibited a significant absorption increase on the UV region during preliminary studies of its UV-Vis optical reflectance. The second system consists of Xe+- implanted Si(001) samples thermally treated at 600, 700, and 800 ºC/30 min, that was motivated by previous works from Laboratório de Implantação Iônica ¿ UFRGS in which He and Ne ions have produced nanobubbles in a Silicon matrix. The X-ray techniques, such as Reflectivity (XRR), Grazing Incidence (GIXRD), and also Qscans on reciprocal space and Reciprocal Space Mappings (RSM), under high-resolution geometry, were all used in the measurements. Furthermore, Renninger scans and X-Ray Multiple Diffraction (XRMD) ?:? mappings, for coupled incident (?) and azimuthal (?) angles, were also applied with synchrotron radiation. X-Ray Fluorescence (XRF) and Transmission Electron Microscopy (TEM) were employed as complementary techniques. For the first system (Fe+/Au++), XRR results were able to distinguish the distinct regions generated by the ion implantation/irradiation process. The analysis of the implanted-and-irradiated sample, as well as the just irradiated sample was made by: i) Q-scans of the (004) reflection and exposes the contribution of a Distorted Region (RD) in the out-of-plane direction with a? = 5.4235(4) Å, which has a different profile for each sample; ii) RSM that reveals distinct QX (inplane direction) intensity profiles for each sample; iii) ?:? mapping of the XRMD at the exact condition of the (000)(002)(111)(113) 4-beam case that exhibited an unprecedented occurrence, for this system, of a Coherent Hybrid Reflection (CHR) peak involving the substrate/layer (SL) S (1 13) + L (11 1) path. The results of the second system (Xe+) for the measurements of: i) RSM and ii) Q-scans using the asymmetric (113) reflection of the as-implanted sample showed the contributions of the implantation-induced point defects. The annealed samples have exposed the Si lattice recrystallization (out-of-plane profile), in addition to demonstrating the formation of a strained region with a? = 5.425(2) Å (800 ºC/30 min); iii) ?:? mappings showed an increase of defects density for higher temperature annealed samples by both the diffuse scattering in the (000)(002)(111) 3-beam case, as the occurrence of primary extinction for the (000)(002)(111)(113) 4-beam case. The presence of both {111} and {113} defects, as well as Xe nanobubbles formation, were confirmed by cross-section TEM images in association with elemental analysis by Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), indicating that the later one is responsible for the compressive strain observed by RSM measurements. Combined cross-section TEM images and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) results have confirmed the presence Xe nanobubbles, which should be responsible for the compressive strain observed by RSM measurements, as well as the formation of the {111} and {113} nanodefects / Mestrado / Física / Mestre em Física

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:26:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Andre Assmann.pdf: 3125745 bytes, checksum: 38854736eae2fcc4e8c2c21a2668f387 (MD5) Previous issue date: 2011-04-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In the present work showing the results on mechanical and tribological properties of duplex stainless steel LDX2101 nitriding by Ion Implantation (II), Plasma Immersion Ion Implantation (PI3) and Glow Discharge (GD). Nitrogen ion implantation was performed at room temperature and 350 C. The nitrogen fluencies were combined to obtain an atomic nitrogen concentration of 27 %. The PI3 was carried out with temperatures of 300 and 350 C working in N2 atmosphere during 3 hours. For GD, the working conditions were gas mixture N2/H2 (in the ratio 80%/20%, 60%/40% and 20%/80%) and N2/CH4 (in the ratio 98%/02%) during 3 hours at temperatures of 300, 350 and 380 C. Structural characterizations of the modified layers were performed by X-Ray Diffraction (XRD) with Bragg-Brentano geometry. Hardness was obtained by instrumented indentation using Oliver and Pharr method’s with Berkovich indenter. Tribological tests were evaluated by reciprocating sliding with a WC(Co) sphere (counter body). XRD patterns for II samples showing only the formation of γN, however, samples treated by GD and PI3 showed the formation of γ’Fe4N and Fe2+XN, over there γN, as a function of the working temperature and nitriding atmosphere. After the nitriding hardness values between 8 and 20 GPa in comparison to 3 GPa of the bulk was obtained. The hardness profile of samples treated by GD at 350 and 380 C exhibit plateaulike for values of hardness between 13 and 20 GPa, indicate the formation of a thicker nitrited layer. The friction coefficient for II samples showed a strong adhesive wear. PI3 samples exhibit long running-in regimes compared to II and untreated samples. GD samples showing a predominant abrasive wear because ploughing of surface for asperities and wear particles formed between the surface and counter body. The significant decrease in the wear was observed in all GD samples, with a reduction of one order of magnitude compared to untreated sample. / No presente trabalho, são apresentados os resultados sobre as propriedades mecânicas e tribológicas do aço inoxidável duplex LDX 2101 nitretado por Implantação Iônica (II), Implantação Iônica por Imersão em Plasma (3IP) e Descarga Luminosa (DL). A Implantação Iônica de nitrogênio foi realizada em temperatura ambiente e em 350 C. As fluências utilizadas foram combinadas para obter uma concentração de átomos de nitrogênio de 27 %. A nitretação 3IP, foi realizada nas temperaturas de 300 e 350 C em atmosfera de N2 durante 3 horas. Para o tratamento por DL as condições de tratamento foram em diferentes atmosferas de N2/H2 (nas proporções de 80%/20%, 60%/40% e 20%/80%) e N2/CH4 (na proporção de 98%/02%) durante 3 horas nas temperaturas de 300, 350 e 380 C. A caracterização estrutural das camadas modificadas foi obtida através de Difração de Raios-X (DRX) com geometria Bragg-Brentano. Os perfis de dureza foram obtidos por indentação instrumentada usando o método de Oliver e Pharr com indentador do tipo Berkovich. Testes tribológicos foram realizados com tribômetro do tipo pino sobre disco em movimento recíproco com uma esfera de WC(Co) de contra corpo. Os padrões de DRX para amostras tratadas por II apresentaram apenas a formação de γN, contudo, as amostras tratadas por DL e 3IP apresentaram a formação de γ’-Fe4N e Fe2+XN, além de γN, como função da temperatura de tratamento e da atmosfera de nitretação. Após as nitretações durezas entre 8 e 20 GPa em comparação a 3 GPa para o substrato foram obtidas. Perfis de dureza para amostras tratadas por DL em 350 e 380 C exibiram valores entre 13 e 20 GPa em forma de platô, indicando a formação de uma espessa camada nitretada. O coeficiente de atrito para as amostras tratadas por II apresentaram um forte desgaste adesivo. Amostras tratadas por 3IP exibiram longos regimes de acomodação comparados as amostras tratadas por II e a amostra referência. Amostras tratadas por DL apresentaram um predominante desgaste abrasivo devido à deformação plástica da superfície causada pelas asperidades e pelas partículas de desgaste formadas entre a superfície e o contra corpo. Uma significante diminuição no desgaste foi observada em todas as amostras tratadas por DL, com uma redução de uma ordem de grandeza quando comparado a amostra sem tratamento.

Um dos principais desafios no sensoriamento químico e biológico se encontra na detecção de traços de uma dada substância (analito), podendo chegar ao regime de detecção de uma única molécula. Uma forma de se obter este regime de detecção é por meio de análises utilizando a técnica SERS (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy) utilizando substratos contendo nanoestruturas metálicas. Neste contexto, um material compósito formado por nanopartículas de ouro localizadas abaixo da superfície de um polímero, o polimetilmetacrilato (PMMA), foi estudado para a utilização como substratos para SERS. Neste trabalho, as nanopartículas foram produzidas através da implantação iônica de baixa energia (49 eV) de ouro em filme fino de PMMA utilizando plasma de arco catódico. O diâmetro médio da nanopartícula para dose de 0,75 x 1016 átomos/cm2 é de (4,25 ± 0,02) nm. Verificou-se que, utilizando esta técnica, as nanopartículas são formadas a uma profundidade de 10 nm abaixo da superfície do polímero. Utilizando esse material como substrato SERS, análises com analito Rodamina 6G (R6G) foram realizadas, e como fonte de excitação, um laser com comprimento de onda de 633 nm. Desta forma, verificou-se a presença dos picos característicos da R6G com concentração de 10 M, nos espectros obtidos, o que não foi possível para um substrato de PMMA sem implantação de ouro. Neste trabalho, pôde-se verificar que a dose utilizada na implantação iônica influencia na intensidade do espectro, de forma que foi observado o aumento da intensidade do sinal SERS com o aumento da dose de implantação no intervalo de 0,64 a 1,02 x 1016 átomos/cm2. Outro efeito observado foi a ocorrência de uma maior intensidade do sinal SERS quando se mantém a camada de PMMA sobre a camada compósita, isto é, sem expor as nanopartículas através da remoção da camada de polímero acima delas. Este comportamento pode ser explicado pelo efeito do intumescimento d solução de R6G, que pode favorecer o aprisionamento das moléculas de R6G na camada de polímero sobre a camada compósita. O melhor resultado foi obtido ao aquecer os substratos a 150 °C por 6 horas. O aquecimento, ao contrário do que se imaginava, não aumenta o tamanho da nanopartícula, mas torna a distribuição de geometrias das nanopartículas mais homogênea, fato que é corroborado através das micrografias obtidas por microscopia eletrônica de transmissão e pelas análises estatísticas. Utilizando a técnica de Espectrofotometria na região Ultravioleta-Visível (UV-Vis) para análise dos substratos que passaram pelo aquecimento, verificou-se um deslocamento de aproximadamente 40 nm do pico de extinção, para a região do vermelho, no espectro do substrato sem a camada de PMMA sobre a camada compósita, além de uma diminuição da extinção. Este resultado indica que a camada de PMMA sobre as nanopartículas influencia as propriedades da camada de PMMA. Além disso os espectros UV-Vis obtidos após o aquecimento dos substratos também corroboram o fato de que há alteração na geometria das nanopartículas. / One of the main challenges in chemical and biological sensing lies in the detection of traces of a given substance (analyte) and can reach the detection regime of a single molecule. One way of obtaining this detection regime is through the Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) technique using substrates containing metal nanostructures. In this context, a composite material formed by gold nanoparticles buried in the surface of a polymer, polymethylmethacrylate (PMMA) has been studied as substrates for SERS. In this work, the nanoparticles were produced by low energy gold ion implantation (49 eV), in thin film of PMMA, using cathodic arc plasma. We found that, using this technique, the nanoparticles are formed 10 nm below the surface of the polymer, with mean nanoparticle diameter of (4.25 ± 0.02) nm at a dose of 0.75 x 1016 atoms/cm2. Using this material as SERS substrate, we performed analyzes with analyte Rhodamine 6G (R6G), and as a source of excitation, a laser with wavelength of 633 nm. In this way, we verified the presence of the characteristic peaks of Rhodamine 6G, with concentration of 10 M, which was not possible for a PMMA substrate without gold implantation. In this work, it was verified that the dose used in the gold ion implantation influences the intensity of the spectrum, so that the increase of the SERS signal intensity was observed with the increase of the implantation dose in the range of 0.64 x 1016 to 1.02 x 1016 atoms/cm2. Another observed effect was the occurrence of a higher intensity of the SERS signal when the PMMA layer was maintained on the composite layer, i.e. without exposing the nanoparticles by removing the polymer layer above them. This behavior can be explained by the swelling effect, which may favor the entrapment of R6G molecules in the polymer layer above the composite layer. The best signal was obtained after annealing the substrates at 150 °C for 6 hours. The annealing does not increase the size of nanoparticles, but makes the distribution of geometries more homogeneous, a fact that is corroborated by the micrographs obtained by transmission electron microscopy and by the statistical analyzes. Using the Spectrophotometry technique in the Ultraviolet-Visible (UV-Vis) region, there was a redshift of approximately 40 nm of the extinction peak of the sample without the PMMA layer above the composite layer, in addition there was a decrease in the extinction. Also, the obtained UV-Vis spectra of the annealed sample corroborate to the fact that there is alteration in the nanoparticles geometry.

Esse trabalho descreve um implantador iônico em termos de sua caracterização e aplicação. O texto está dividido em três capítulos que são apresentados resumidamente a seguir. O primeiro capítulo descreve em detalhes um novo tipo de implantador, denominado implantador invertido. Nesse capítulo é descrito o desenvolvimento e a caracterização do implantador invertido. A otimização de uma parte dos circuitos eletrônicos e o desenvolvimento e construção do restante dos circuitos é dada em detalhes. Uma caracterização do implantador quanto à maximização do feixe iônico é apresentada, onde é realizado um estudo sistemático com a variação de parâmetros como potencial extrator, corrente do canhão de plasma (arco catódico) dentre outros. Finalizando o primeiro capítulo, é apresentado um mapeamento da densidade do feixe iônico no porta amostras do implantador invertido. No segundo capítulo é discutida a neutralidade do feixe iônico do implantador invertido. Um feixe neutro viabiliza implantações em amostras isolantes, sem que haja acúmulo de cargas positivas, o que levaria a amostra a um potencial diferente do planejado. A energia de implantação efetiva foi avaliada estudando os perfis de implantação através de microscopia de força atômica condutiva (AFM-C) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM), e comparando com simulações numéricas realizadas pelo programa TRIDYN. Os resultados sugerem que o feixe não é neutro. No terceiro capítulo, o implantador invertido foi utilizado para modificação de superfície de alumina, gerando uma camada de nanocompósito logo abaixo de sua superfície, formada por nanopartículas de titânio na matriz de alumina. A formação dessas nanopartículas se dá espontaneamente e pode ser explicada pela ocorrência de concentração dos átomos metálicos acima do limite de solubilidade no substrato implantado, levando à nucleação e crescimento das nanopartículas metálicas. Caracterização por TEM foi utilizada para a visualização direta das nanopartículas que apresentaram dimensões da ordem de 20 nm. Simulações utilizando o programa TRIDYN foram realizadas, gerando perfis de profundidade dos íons de titânio implantados no substrato de alumina, que mostraram excelente acordo com o perfil em profundidade obtido por RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Medidas de resistividade da camada compósita foram obtidas, in situ, em função da dose implantada. Utilizando modelos teóricos de percolação foi possível determinar a dose de saturação &#966;0 = 2,2 x 1016 átomos/cm2, que é a dose máxima para a qual o material continua a ser um nanocompósito, e para a condutividade de saturação foi &#966;0 = 480 S/m. A dose de percolação obtida foi &#966;c = 0,84 x 1016 átomos/cm2, que é a dose abaixo da qual o material tem a mesma condutividade que a matriz isolante. O expoente crítico obtido foi t = 1,4 e, como a condição t < 2 é satisfeita, o processo de condutividade se dá devido a percolação, sendo o tunelamento desprezível. / This work describes an ion implanter in terms of characterization and application. The text is divided in three chapters that are briefly presented below. The first chapter describes in detail a new type of implanter called inverted implanter. In this chapter is considered my contribution in the development and characterization of the inverted implanter. The optimization of part of the electronic circuits, and development and construction of other circuits are given in details. A characterization of the implanter by the maximization the ion beam is presented, where is carried out a systematic study through the variation of parameters such as extractor potential, plasma gun current (cathodic arc) and others. Finally, it presents a mapping of the ion beam density at the sample holder of the inverted implanter. The second chapter discusses the neutrality of the ion beam of the inverted implanter. A neutral beam allows implantation into insulating samples without positive charges accumulation, which would lead sample at a different potential than expected. The effective energy evaluation was carried out studying the implantation profiles by conductive atomic force microscopy (AFM-C) and transmission electron microscopy (TEM), and compared with numerical simulations performed by TRIDYN program. The results suggest that the ion beam isn\'t neutral. In the third chapter, the inverted implanter was used for alumina surface modification, generating a nanocomposite layer just below the surface, formed by titanium nanoparticles in alumina matrix. The nanoparticles formation occurs spontaneously and can be explained by the occurrence of metal atom concentration above the solubility limit in the impalnted substrate, leading to nucleation and growth of metal nanoparticles. Characterization by TEM was used for direct visualization of the nanoparticles what presented dimensions of about 20 nm. Simulations using the TRIDYN program were performed, generating depth profiles of titanium ions implanted into the alumina substrate, which showed excellent agreement with the depth profile obtained by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Resistivity measurements were obtained from the composite layer, in situ, as function of implanted dose. Using theoretical percolation models, it was possible to determine the saturation dose &#966;0 = 2,2 x 1016 atoms/cm2, that is the maximum dose for which the material remains a nanocomposite, and the saturation conductivity &#966;0 = 480 S/m. The percolation was achieved for dose &#966;c = 0,84 x 1016 atoms/cm2, that is the dose below which the material has the same conductivity as the insulating matrix. The critical exponent obtained was t = 1,4 and, since it satisfies to condition t < 2, the conductivity process is due to percolation, tunneling being negligible.

Esse trabalho descreve um implantador iônico em termos de sua caracterização e aplicação. O texto está dividido em três capítulos que são apresentados resumidamente a seguir. O primeiro capítulo descreve em detalhes um novo tipo de implantador, denominado implantador invertido. Nesse capítulo é descrito o desenvolvimento e a caracterização do implantador invertido. A otimização de uma parte dos circuitos eletrônicos e o desenvolvimento e construção do restante dos circuitos é dada em detalhes. Uma caracterização do implantador quanto à maximização do feixe iônico é apresentada, onde é realizado um estudo sistemático com a variação de parâmetros como potencial extrator, corrente do canhão de plasma (arco catódico) dentre outros. Finalizando o primeiro capítulo, é apresentado um mapeamento da densidade do feixe iônico no porta amostras do implantador invertido. No segundo capítulo é discutida a neutralidade do feixe iônico do implantador invertido. Um feixe neutro viabiliza implantações em amostras isolantes, sem que haja acúmulo de cargas positivas, o que levaria a amostra a um potencial diferente do planejado. A energia de implantação efetiva foi avaliada estudando os perfis de implantação através de microscopia de força atômica condutiva (AFM-C) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM), e comparando com simulações numéricas realizadas pelo programa TRIDYN. Os resultados sugerem que o feixe não é neutro. No terceiro capítulo, o implantador invertido foi utilizado para modificação de superfície de alumina, gerando uma camada de nanocompósito logo abaixo de sua superfície, formada por nanopartículas de titânio na matriz de alumina. A formação dessas nanopartículas se dá espontaneamente e pode ser explicada pela ocorrência de concentração dos átomos metálicos acima do limite de solubilidade no substrato implantado, levando à nucleação e crescimento das nanopartículas metálicas. Caracterização por TEM foi utilizada para a visualização direta das nanopartículas que apresentaram dimensões da ordem de 20 nm. Simulações utilizando o programa TRIDYN foram realizadas, gerando perfis de profundidade dos íons de titânio implantados no substrato de alumina, que mostraram excelente acordo com o perfil em profundidade obtido por RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Medidas de resistividade da camada compósita foram obtidas, in situ, em função da dose implantada. Utilizando modelos teóricos de percolação foi possível determinar a dose de saturação &#966;0 = 2,2 x 1016 átomos/cm2, que é a dose máxima para a qual o material continua a ser um nanocompósito, e para a condutividade de saturação foi &#966;0 = 480 S/m. A dose de percolação obtida foi &#966;c = 0,84 x 1016 átomos/cm2, que é a dose abaixo da qual o material tem a mesma condutividade que a matriz isolante. O expoente crítico obtido foi t = 1,4 e, como a condição t < 2 é satisfeita, o processo de condutividade se dá devido a percolação, sendo o tunelamento desprezível. / This work describes an ion implanter in terms of characterization and application. The text is divided in three chapters that are briefly presented below. The first chapter describes in detail a new type of implanter called inverted implanter. In this chapter is considered my contribution in the development and characterization of the inverted implanter. The optimization of part of the electronic circuits, and development and construction of other circuits are given in details. A characterization of the implanter by the maximization the ion beam is presented, where is carried out a systematic study through the variation of parameters such as extractor potential, plasma gun current (cathodic arc) and others. Finally, it presents a mapping of the ion beam density at the sample holder of the inverted implanter. The second chapter discusses the neutrality of the ion beam of the inverted implanter. A neutral beam allows implantation into insulating samples without positive charges accumulation, which would lead sample at a different potential than expected. The effective energy evaluation was carried out studying the implantation profiles by conductive atomic force microscopy (AFM-C) and transmission electron microscopy (TEM), and compared with numerical simulations performed by TRIDYN program. The results suggest that the ion beam isn\'t neutral. In the third chapter, the inverted implanter was used for alumina surface modification, generating a nanocomposite layer just below the surface, formed by titanium nanoparticles in alumina matrix. The nanoparticles formation occurs spontaneously and can be explained by the occurrence of metal atom concentration above the solubility limit in the impalnted substrate, leading to nucleation and growth of metal nanoparticles. Characterization by TEM was used for direct visualization of the nanoparticles what presented dimensions of about 20 nm. Simulations using the TRIDYN program were performed, generating depth profiles of titanium ions implanted into the alumina substrate, which showed excellent agreement with the depth profile obtained by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Resistivity measurements were obtained from the composite layer, in situ, as function of implanted dose. Using theoretical percolation models, it was possible to determine the saturation dose &#966;0 = 2,2 x 1016 atoms/cm2, that is the maximum dose for which the material remains a nanocomposite, and the saturation conductivity &#966;0 = 480 S/m. The percolation was achieved for dose &#966;c = 0,84 x 1016 atoms/cm2, that is the dose below which the material has the same conductivity as the insulating matrix. The critical exponent obtained was t = 1,4 and, since it satisfies to condition t < 2, the conductivity process is due to percolation, tunneling being negligible.

SARAIVA, Gilberto Dantas. Espectroscopia Raman ressonante em nanotubos de carbono funcionalizados. 2008. 145 f. Tese (Doutorado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2008. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-05-04T19:13:31Z No. of bitstreams: 1 2008_tese_gdsaraiva.pdf: 6765379 bytes, checksum: ded06cc237d77dabfc5886e3ed738be4 (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-05-07T14:32:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2008_tese_gdsaraiva.pdf: 6765379 bytes, checksum: ded06cc237d77dabfc5886e3ed738be4 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-07T14:32:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2008_tese_gdsaraiva.pdf: 6765379 bytes, checksum: ded06cc237d77dabfc5886e3ed738be4 (MD5) Previous issue date: 2008 / In this Thesis we report a study of the synthesis and functionalization of carbon nanotubes. Regarding the synthesis, we produced carbon nanotubes samples using the chemical vapor deposition method. Both single-wall and multi-wall carbon nanotubes were produced. The basic difference between these two growth results was the catalyst employed. We also have changed the exposure time of catalyst particle to the hydrogen gas to find out the optimal parameters for growing the nanotubes. The obtained samples were characterized by resonance Raman spectroscopy and thermal analysis. The obtained samples show higher thermal stability compared with some commercially available samples. Regarding functionalization of the tubes we studied three different systems. Firstly, we investigated the effect of Si+ and C+ ions bombardment on the structural and electronic properties of highly pure double wall carbon nanotubes (DWNTs). The implantation was performed at room temperature with high fluencies of ions varying from 1 to 100 x( 10 13 ions/cm2) and the Raman spectroscopy was the main technique employed for studying the ion implantation-induced changes in the nanotubes. The effects of the Si+ implantation is stronger than that of C+ and this is attributed to the larger ionic radius of Si. The D to G band intensity ratio was used for probing the ion concentration for which the system looses its sp2 character leading to a highly disordered system with a high concentration of sp3 bonds. We observed that as the ion implantation dosage increases, the D-band intensity increases and the radial breathing modes (RBM) of the semiconducting (outer) and metallic (outer) tube disappear first, before from the inner tubes. At higher ion-implantation dosage, the carbon nanotubes are completely deformed and the Raman spectrum is typical of highly disordered graphite. Secondly, we investigated the effects of H2SO4 doping on DWNTs and SWNTs where the diameter of SWNTs are in the same range as the inner tube of the DWNTs. The comparison of these two systems allow to further improve the knowledge of doping effects on the constituents of DWNTs as well as to establish differences between the exohedral doping of SWNTs and DWNTs bundles. Upon doping with H2SO4 the Breit-Wigner-Fano lineshape of metallic tubes in the SWNTs samples decreases and the G band frequencies increase thus indicating that an electronic charge transfer is occurring from the nanotubes to the dopant molecule. The effect on the DWNTs is opposite to that of SWNTs thus evidencing that the inner and outer shell interaction seems to affect the inner tube electronic transitions more than those of the outer tubes. Thirdly, we report a detailed characterization of a novel carbon nanotube-based system that is a coaxial nanocable made of carbon as core and selenium as shell. Carbon nanotube bundles are wrapped up within a trigonal selenium shell. We have demonstrated that the Butyl-lithium compound plays an important role in promoting the interaction between the carbon nanotubes and the selenium shells and thus enables the preparation of these nanocable structures. The Raman spectra of the SWNTs in the residue and the Se-CNT nanocables suggests that this selenium-carbon interaction is stronger for semiconducting nanotubes than for metallic nanotubes. The chemistry of Selenium would allow the synthesis of carbon nanotubes decorated with other functional Se-based structures, such as CdSe, ZnSe, among others. / Esta tese consiste no estudo do processo de síntese e funcionalização de nanotubos de carbono. A síntese dos nanotubos de carbono foi realizada usando a técnica de deposição química a partir da fase vapor (CVD). Foram sintetizados Nanotubos de parede simples (SWNTs) e múltipas (MWNTs) . A diferença básica das metodologias usadas para preparar as amostras foi o uso de diferentes catalisadores expostos ao gás hidrogênio por diferentes intervalos de tempo. As amostras obtidas foram caracterizadas por espectroscopia Raman ressonante e análise térmica. Os resultados de análise térmica mostraram que as amostras sintetizadas apresentam uma excelente estabilidade térmica, quando comparada com algumas amostras disponíveis no mercado. Foram estudados três diferentes sistemas em relação ao processo de funcionalização de nanotubos de carbono. No primeiro sistema, investigamos o efeito da irradiação de íons de silício (Si+) e carbono (C+) nas propriedades eletrônicas e estruturais dos nanotubos de parede dupla (DWNTs). A implantação foi realizada à temperatura ambiente com concentrações de íons que variam de 1 a 100 x (1013 íons/cm2); e a espectroscopia Raman ressonante foi a principal técnica utilizada para estudar os efeitos da implantação. Os efeitos da implantação dos íons de Si+ na estrutura dos nanotubos são mais fortes do que os íons de C+ o que é atríbuido ao maior raio iônico do Si+. A razão das intensidades das bandas D e G foi usada para investigar a concentração de íons para a qual o sistema perde a característica sp2, deixando o sistema muito desordenado e com grande concentrações de ligações sp3. Observamos que o aumento da dosagem de íons aumenta a intensidade da banda D e os modos radiais de respiração dos nanotubos semicondutores (tubo externo) e metálicos (tubo externos) desaparecem primeiramente do que os tubos internos. Para altas dosagens de implantação de íons de silício ou carbono observamos que os nanotubos são completamente deformados e os espectros Raman apresentam aspectos de grafite altamente desordenados. No segundo sistema estudado, investigamos os efeitos da dopagem da molécula de H2SO4 nos SWNTs e DWNTs com distribuição de diâmetros dos SWNTs similar aos tubos internos dos DWNTs. A comparação destes dois sistemas permitiu ter um maior conhecimento dos efeitos da molécula H2SO4 nos sistemas DWNTs como também estabelecer diferenças entre a dopagem por intercalação nos feixes de SWNTs e DWNTs. A dopagem com H2SO4 torna o perfil Breit-Wigner-Fano (BWF) dos nanotubos metálicos nos sistemas SWNTs menos acentuado e a freqüência da banda G aumenta indicando que uma transferência de carga ocorre dos nanotubos para as moléculas de H2SO4. O efeito nos DWNTs é o oposto ao que foi evidenciado para os SWNTs, mostrando que a interação entre os tubos internos e externos no sistema DWNTs parece afetar mais fortemente as transições eletrônicas dos tubos internos do que as transições dos tubos externos. No terceiro sistema estudado, caracterizamos de maneira detalhada um novo sistema híbrido baseado em nanotubos de carbono que consiste de um cabo coaxial com carbono no interior e uma casca de selênio como tubo exterior. Demonstramos que o composto Butil-Lítio promove a interação entre os nanotubos de carbono e a casca de selênio levando a formação destes nanocabos. O espectro Raman dos SWNTs da amostra resíduo e selênio-nanotubos sugere que os nanocabos de selênio carbono interagem mais fortemente com os nanotubos semicondutores do que com os nanotubos metálicos. Estimamos que a química do selênio permitirá sintetizar nanocabos de selênio-carbono decorados com outros compostos funcionais tais como CdSe, ZnSe entre outros.

Orientador: Fernando Alvarez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-05T23:16:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Zagonel_LuizFernando_D.pdf: 13909392 bytes, checksum: 08d9ce72a7691aa00b93b053302e92d1 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: O objetivo deste trabalho é estudar processos de tratamento superficial por plasma com especial atenção às peculiaridades da técnica frente às demais práticas de nitretação, buscando compreender o processo a partir dos fenômenos observados na superficie. Dois tipos de tratamento foram realizados e três as técnicas utilizadas: nitretação por feixe de íons e por plasma pulsado e carbonitretação por deposição assistida por feixe de íons. A liga tratada foi o aço AISI-H13. As superficies das amostras foram tratadas em diversas temperaturas, de 260°C a 6000C, diversos tempos de processo, de 75 minutos a 5 horas, diversas densidades de corrente e diversas misturas gasosas, permitindo a observação de diferentes estruturas cristalinas, durezas, microestruturas e concentrações de nitrogênio na camada nitretada. Os diferentes estudos realizados dentro dessas amplas condições experimentais permitiram observar e/ou modelar o processo de tratamento superficial em condições diferenciadas. Estudos de nitretação com diferentes composições de feixe iônico de nitrogênio e hidrogênio mostraram que o hidrogênio tem um importante papel no processo, mesmo na ausência de oxigênio. A presença de hidrogênio levou ao aumento da concentração superficial de nitrogênio e à formação de fases de nitretos de ferro tipo E-Fe2-3N. Um estudo da nitretação em diversas temperaturas indicou que o processo de oferta de nitrogênio não depende da temperatura e que a 260°C nitretos de ferro de alta concentração de nitrogênio podem ser formados. A difusão de nitrogênio no aço utilizado mostrou-se ativada pela temperatura, mas efeitos de difusão por bordas de grão pareceram estar presentes, o que causou um aumento da dureza em altas profundidades. A técnica de deposição assistida por íons foi utilizada nesse estudo para o tratamento de superficie de carbonitretação. Nessa técnica, o carbono foi depositado continuamente sobre a superficie da amostra enquanto esta foi bombardeada com íons de nitrogênio. O estudo mostrou que a técnica apresenta características distintas daquelas da carbonitretação a gás ou a plasma. Em especial, foi observada a restauração da fase ferrita com altas concentrações de carbono e nitrogênio para alta deposição de carbono. Um estudo amplo sobre o papel do fluxo de íons, temperatura e tempo no processo de nitretação também foi realizado, visando clarificar as características do potencial químico na nitretação a plasma. Como demonstrado, esse potencial depende do balanço de massa entre o fluxo de íons e a difusão para o volume / Abstract: The objective of this project is to study processes of plasma surface treatment with special emphasis to the differences these techniques might show in relation to others, looking forward to understand the process from surface phenomena. Two kinds of surface treatment have been studied, including three different techniques: ion beam nitriding, pulsed plasma nitriding and carbonitriding by ion beam assisted deposition. The treated alloy was the steel AISI-H13. The samples surfaces have been treated at several different temperatures, from 260°C to 600°C, several process times, from 75 minutes to 5 hours, several ion current densities e several gas mixtures, allowing the observations of different crystalline structures, surface and profile hardness, microstructures, and nitrogen concentration at the surface and within a profile. The undergone studies over these wide conditions leaded to the observation and modeling of the surface treatments at these different situations. Studies of nitriding with different ion beam compositions of nitrogen and hydrogen showed that hydrogen play a major role even in the absence of oxygen. The hydrogen presence within the surface allowed an enhancement on the nitrogen concentration and the formation of iron nitrides 1ike E-Fe2-3N. A study of nitriding over several different temperatures indicates that the nitrogen offer at the surface is not dependent upon temperature and even at very low temperatures like 260°C, high nitrogen concentration iron nitrides can be formed. The nitrogen diffusion is shown to be activated by temperature, but grain boundary effects seam to be present, what caused a hardness increase at high depths. The ion beam assisted deposition technique was used for carbonitriding. In this set-up, carbon is continuously deposited over the surface while the sample is exposed to nitrogen ions. The study showed that the approach displays distinct characteristics with respect to gas or p1asma carbonitriding. By this new technique, high carbon deposition preserves the formation of E-Fe2-3N phase, without loss of diffusion to bulk. A wide study about the role of the ion flux, temperature and time on ion nitriding process was also performed, looking forward to clarify the behavior of the chemical potential of nitrogen at the surface. As it was understood, this quantity will depend on the mass balance between the ion flux and the diffusion to bulk / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências