Neste trabalho foram realizados estudos experimentais com objetivo de caracterizar um jato de plasma gerado pelo processo de ablação a laser de vapor de cobre em amostras metálicas (alumínio, cobre e tungstênio). Apesar de poucas referências citarem o laser de vapor de cobre no processo de evaporação de metais, verificou-se que sua utilização no processo de ablação é interessante, por apresentar alta taxa de repetição (kHz). Nos experimentos para esta caracterização utilizou-se uma sonda de Langmuir na configuração cilíndrica, e os parâmetros medidos do jato de plasma foram: temperatura e densidade de elétrons, densidade de íons e velocidade de expansão das partículas do plasma. Os resultados destes parâmetros foram obtidos em função do tempo, da intensidade do laser de vapor de cobre e da distância entre o alvo e a sonda. O limiar de intensidade do laser no processo de ablação dos metais também foi inferido, de forma teórica e experimental. A análise dos resultados deste estudo foi embasada pela Teoria de Sonda de Langmuir juntamente com aproximações da Teoria de Expansão Hidrodinâmica, adequada para tratamento de plasmas em expansão. Os valores típicos de temperatura de elétrons foram da ordem de 15 eV, de densidade de elétrons e íons foram da ordem de 108-109/cm3 e de 109-1010/cm3, respectivamente. O valor de velocidade de expansão do plasma, foi da ordem de 10 km/s para todas as amostras evaporadas.

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

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

O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo sistemático dos microplasmas luminescentes produzidos através de descargas elétricas de corrente contínua, complementando o trabalho iniciado na dissertação de mestrado. Estes estudos envolvem as propriedades elétricas e espectroscópicas (através da espectroscopia óptica de emissão - EOE). Os microplasmas caracterizados eletricamente são: microcatodo oco aberto e fechado, microanodo oco, microjato de plasma com anodo (ou catodo) plano, além de outras modalidades destes, operados em pressões que variam de poucos Torr até a pressão atmosférica. Para as caracterizações espectroscópicas, que é a essência desta tese, optou-se por estudar microplasmas produzidos na pressão atmosférica, principalmente o microjato de plasma com catodo plano e o microanodo oco com fluxo de gás. Este é o primeiro estudo sistemático que se faz nesta modalidade de microjato. O microjato de plasma é gerado através de uma descarga em corrente contínua, entre o orifício de um microtubo metálico polarizado positivamente e uma superfície metálica plana, polarizada negativamente e posicionada defronte ao microtubo. Um fluxo de gás argônio atravessa o tubo e propicia a geração do microjato de poucos milímetros de comprimento. Através da caracterização elétrica obteve-se para os microplasmas: curvas de Paschen, curva característica tensão-corrente, curva tensão versus comprimento do jato (para o microjato). Através destes dados determinaram-se alguns parâmetros elétricos das descargas, como intensidade de campo elétrico na região da coluna positiva do microjato de plasma e densidade de elétrons. Um estudo dos processos de alargamentos das linhas de emissão (exclusivamente para as linhas de Balmer do hidrogênio e linhas de ArI) foi feito com o intuito de se determinar, através da EOE e em função da intensidade de corrente de operação, outros parâmetros da descarga, como: densidade de elétrons (1015cm-3), temperatura de excitação de elétrons (104K), temperatura do gás (103K) e temperatura do átomo de hidrogênio (104K). Através de um sistema óptico com alta resolução espacial obteve-se, em primeira mão, a distribuição do campo elétrico e a densidade efetiva de partículas carregadas na região de bainha catódica do microjato de plasma e a espessura (~102?mm) desta região.

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

Neste trabalho são apresentadas as principais propriedades físicas de microjatos de plasma em pressão atmosférica excitados por uma fonte de rádio freqüência ajustada em 144 MHz com potências de 5 W, 10 W, 20 W e 50 W. Para gerar os microjatos foram utilizadas três misturas de gases: argônio-hidrogênio, argônio-vapor d';água e argônio-etanol. Um processo chamado "borbulhador" foi empregado para adicionar vapor d';água e etanol nos microjatos. Este processo consiste em desviar parte do fluxo de gás inerte para um recipiente onde contém o líquido que se quer introduzir na descarga, assim o fluxo do gás inerte arrasta moléculas do líquido para dentro do plasma. Os parâmetros dos microjatos foram inferidos basicamente a partir de um monocromador de alta resolução, sendo utilizadas técnicas de espectroscopia de emissão. A radiação emitida pelo plasma é conduzida até a fenda de entrada do monocromador através de uma fibra óptica. Para cada situação de energia do gerador e mistura de gás foram determinadas, em função do comprimento do microjato, as seguintes propriedades: temperatura rotacional da molécula de OH, temperatura de excitação, densidade eletrônica e temperatura atômica do hidrogênio.

Estudos experimentais foram realizados visando a geração de um jato metálico de átomos neutros por ablação a laser em alvos de cobre. Para estudar a composição da pluma gerada por ablação e para estudar o processo de remoção da fração carregada eletricamente da pluma, foi utilizado um dispositivo constituído por um par de eletrodos de extração de íons e por um sensor de pressão de PVDF. O sensor de PVDF responde à pressão das partículas em sua superfície, enquanto o potencial aplicado aos eletrodos extrai os íons da pluma. A dependência da fluência do laser na razão entre as populações dos íons e átomos neutros na região entre 20 a 32 J/cm2 foi investigada e utilizaram-se valores de tensão de extração de até 800 V. Neste intervalo dos parâmetros de estudo, o percentual de átomos neutros varia entre 30 - 8% da população total da pluma. O ajuste de uma função de distribuição Maxwelliana de velocidades foi realizado ao sinal do sensor de PVDF para inferir os parâmetros de velocidade de deriva, que variou de 3,4 a 4,6 km/s e, através do modelo hidrodinâmico encontrado na literatura para o tratamento da expansão da pluma, foi possível obter os valores de temperatura translacional da pluma variando entre 8 e 14×104 K. Constatou-se a existência de um mecanismo interno de aceleração das partículas da pluma, atribuído à formação de camada dupla, que por sua vez gera um potencial acelerador interno. Foi inferido, pela diferença entre a velocidade de deriva e a velocidade térmica, que este potencial acelerador é da ordem de 3 V, mesmo quando não há tensão aplicada aos eletrodos. Foi verificado que a pluma gerada por ablação a laser na condição experimental deste trabalho encontra-se no regime em transição, que para baixas fluências apresenta um comportamento de partícula livre, e em fluências mais altas é possível observar um comportamento de plasma. Pelos resultados obtidos, foi confirmada a geração de um jato metálico neutro que poderá ser utilizado em experimentos de separação isotópica usando lasers.

Neste trabalho são apresentados os resultados de investigações realizadas num jato de plasma de baixa intensidade. O jato de plasma foi produzido por descarga elétrica através do gás argônio em expansão no vácuo. A expansão do gás é produzida a partir de um orifício de constrição numa parede fina, separando um tubo de descarga (câmara fonte) de uma câmara de vácuo (câmara de expansão), havendo um um grande gradiente de pressão através do orifício. A descarga elétrica é produzida entre um catodo oco alocado na câmara fonte e um ânodo, aterrado, na câmara de expansão. Foram feitos orifícios de (0,6; 1,0 e 2,0) mm de diâmetro, separadamente. As condições de operação foram: corrente de descarga variando entre 10 e 100mA, voltagem de descarga entre 400 e 600 V, fluxo de massa variando de 0,8 a 10 sccm, correspondendo a pressões de 13 a 133 Pa e 1,33 10-2 a 1,33x10-1 Pa na câmara fonte e na câmara de expansão, respectivamente. Foi observada a formação de um plasma de constrição na forma de um saco de plasma, na ragião de constrição estendendo-se de um lado a outro do orifício. O jato de plasma é visualmente observado numa forma cônica originando-se próximo à saída do orifício. A caracterização do jato de plasma de constrição, foi feito utilizando sondas eletrostáticas e analisadores de energia. Parâmetros típicos ao longo do eixo do jato de plasma são: densidade de corrente de elétrons de ordem de 3 mA/cm2, corrente de saturação de íons da ordem 30 mA/cm2, potencial flutuante de -120 a -30 V, energia dos íons entre 30 e 120 eV, e energia dos elétrons entre 30 e 200 eV. Das medidas do perfil de potencial, observou-se um degrau do potencial entre o plasma de constrição e a coluna positiva, correspondendo a uma camada dupla que envolve o plasma da constrição. No lado do jato de plasma, através das medidas de energia dos íons com um analisador eletrostático, medidas do perfil do potencial de plasma e potencial flutuante ao longo do eixo central, com uma sonda cilíndrica, foi observada a formação de uma segunda dupla, sendo esta a responsável pela aceleração dos íons e a desaceleração dos elétrons que se dirigem do orifício para a câmara de expansão. Desta forma, o plasma de constrição encontra-se numa região de potencial mais elevado em relação a sua vizinhança, comportando-se como um poço de potencial que aprisiona elétrons térmicos criados no saco de plasma. Globalmente, a fonte compreende três tipos de plasma, quais sejam: o plasma da coluna positiva formado no tubo de descarga, o plasma de constrição (saco de plasma) e o jato de plasma. O casamento entre o plasma da coluna positiva e o plasma de constrição ocorre através de uma camada dupla (CD1) de forma quase esférica, envolvendo o plasma de constrição. O casamento entre o saco de plasma e o jato de plasma, também é estabelecido através de uma camada dupla (CD2). A CD1 é formada por 4 populações de partículas, sendo estas os íons e elétrons do plasma da coluna positiva e íons e elétrons do saco de plasma. A CD2 é formada por três populações de partículas, sendo estas os íons e elétrons do saco de plasma e os elétrons rápidos provenientes da coluna positiva. Os íons da coluna positiva não conseguem atravessar a CD1 por não terem energia positiva são acelerados pelo potencial da CD1, ganhando substancial velocidade de deriva. Os íons e elétrons do saco de plasma são formados devido a colisões ionizantes entre os elétrons provenientes da coluna positiva e os átomos ou moléculas do gás, sendo esta ionização mais intensa do que na coluna positiva. Osd elétrons formados no saco de plasma são termalizados e permanecem no saco de plasma por não terem energia suficiente para sair do poço de potencial. É assumido no modelo, que um jato de plasma é formado pelos íons provenientes do saco de plasma e elétrons rápidos provenientes da coluna positiva e que atravessam o saco de plasma. Nenhuma produção de partículas carregadas é suposta ocorrer na câmara de expansão. Um estudo teórico das camadas duplas foi desenvolvido utilizando o método do "Potencial de Sagdeev"e uma descrição cinética da dinâmica das partículas carregadas que compõem essas estruturas eletrostáticas. São utilizados dados experimentais e condições de contorno consistentes para determinar o Potencial de Sagdeev de cada uma das camada duplas, em diferentes condições operacionais da fonte. Uma quadratura a partir da equação do Potencial de Sagdeev, é numericamente realizada para obter os perfis de potenciais das camadas duplas. Os resultados mostram que a largura das camadas duplas aumentam com a corrente de descarga e diminui com o aumento da pressão do gás. Utilizando a fonte de jato de plasma como reator de processos, foram investigadas algumas aplicações como: corrosão de filmes finos de carbono tipo diamante, deposição de filmes finos de cobre por espirramento e esterilização de amostras contaminadas com microorganismos. os resultados mostram potenciais aplicações desta fonte de partículas, a qual deve, no entanto, ser otimizada para cada tipo de aplicação. Finalmente esta dissertação de tese contém explicações originais sobre a fenomenologia dos jatos de plasma frios, operando em regime de descarga luminescente com baixa intensidade de corrente. O modelo cinético que discrimina as populações de partículas carregadas envolvidos na geração do feixe de plasma, assim como o mecanismo eletrostático de energização dos elétrons e íons do jato de plasma, aqui apresentados, são contribuições relevantes, relevantes deste trabalho.

Este trabalho tem como objetivo apresentar o estudo e a caracterização de microjatos de plasma originários de microdescargas de microcatodos ocos produzidos em laboratório através de descargas elétricas, usando-se fontes de corrente contínua (CC) para ionizar gases como ar, nitrogênio, argônio e oxigênio. Os parâmetros elétricos e ópticos das descargas elétricas foram levantados para o microcatodo oco aberto (MCOA) no modo estático (sem a presença do fluxo de gás) e o microcatodo oco no modo dinâmico (com fluxo massivo de gás). No primeiro caso, o plasma é gerado no interior de uma microcavidade catódica, da ordem de centenas de micrometros, enquanto que no segundo, este plasma, gerado na microcavidade, expande-se como microjato de plasma (MP) para fora da abertura, em ambiente atmosférico. O MCOA foi investigado nas operações onde a pressão variará de moderada à atmosférica, a fim de se levantar a curva característica de tensão-corrente e a curva de Paschen, sendo esta específica para a tensão de ruptura da descarga. Através da espectroscopia de emissão óptica, os parâmetros ópticos básicos da descarga de MCOA e do MP foram quantificados, como a temperatura do gás (Tg) e a temperatura de excitação (Texc), em função da pressão de operação e da intensidade de corrente. O microplasma de MCOA (e de MP) é gerado através de uma descarga em CC num orifício que, com diâmetro da ordem de algumas centenas de micrometros, atravessa duas camadas de metal polarizadas eletricamente com sinais opostos, separadas por uma folha de dielétrico. Um fluxo de gás atravessa o MP e propicia a geração do microjato de poucos milímetros de comprimento. Neste trabalho, a Texc foi obtida através do método gráfico de Boltzmann através das linhas de ArI excitadas; a temperatura do gás, Tg, será estimada com o uso das linhas rovibracionais da molécula de OH, considerando-se uma termalização dos modos de energia destas duas espécies. Para as descargas de MP-MCOA, devido ao fluxo de gás que refrigera a descarga e os eletrodos, os resultados destes parâmetros foram relativamente menores. Como aplicação, fez-se o tratamento de superfícies lisas de polietilenos de alta densidade (PEAD) com vistas à melhoria da propriedade hidrofílica desta superfície.

Este trabalho tem como objetivo apresentar o estudo e a caracterização óptica e elétrica de microjatos de plasma (MP) em pressão atmosférica, produzidos em laboratório através de descargas elétricas, usando fonte de corrente alternada (CA) e de baixa frequência (60Hz) para ionizar gases como ar, nitrogênio, argônio, hélio e oxigênio. Os parâmetros elétricos e ópticos das descargas elétricas são levantados no modo dinâmico (com fluxo de gás), produzindo o microjato de plasma através da expulsão do microplasma gerado no interior do microtubo de descarga. Deste modo, o microplasma é gerado no interior de uma micro abertura, da ordem de centenas de micrometros, no qual, expande-se como microjato de plasma para fora da abertura, em ambiente atmosférico. Foi levantada a curva característica de tensão-corrente e através da espectroscopia de emissão óptica, os parâmetros ópticos básicos da descarga foram quantificados, como a temperatura do gás (Tg) e a temperatura de excitação eletrônica (Texc). Para o MP com fluxo gasoso variando de 3 a 10Lmin-1, o consumo médio de energia elétrica foi de aproximadamente 5,0W. A tensão e a corrente elétrica RMS para os gases Ar +2%O2, He +2%O2, O2 + 1%Ar, N2 e ar, foi de aproximadamente 450V e 13mA, respectivamente. A temperatura do gás He variou de 320 a 370K para a potência elétrica da descarga variando de 3 a 10W. Para os demais gases, Tg variou de 370 a 520K. A temperatura vibracional Tv do N2 variou de 0,35 a 0,57eV, mostrando que Texc?Tv?Tg. A temperatura de excitação eletrônica foi estimada através das linhas excitadas de Ar, resultando 0,85eV para esta faixa de potência. Como aplicação, fez-se o tratamento da superfície de uma lâminula de vidro com vistas à melhoria da propriedade hidrofílica desta superfície. O ângulo de contato passou de 53,7, para a superfície não tratada por microplasma, para 18,3, para um tratamento de 2min com fluxo de ar comprimido.