A nitretação da liga NbTi 50% em peso de Ti, foi examinada em uma atmosfera de nitrogênio, na faixa de temperatura 800-1000&#176C, utilizando-se a técnica de difratometria de raios-X, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e metalografia. Foi observada a formação de duas camadas contínuas de nitretos sobre a matriz: fase-&#948 (TiN) mais externa e a fase-&#958(Ti2N) mais interna. As duas camadas cresceram continuamente durante a reação, sendo que, a frente de saturação da matriz, pelo nitrogênio, cresceu mais rapidamente do que a frente de saturação do TiN. Foi proposto um método, utilizando-se dados de difratometria de raios-X, para se estudar o crescimento de camadas, sobre metais e ligas, formadas durante a reação com gases. A aplicação deste método permitiu fazer uma avaliação da cinética de crescimento da camada de TiN sobre a camada de Ti2N. A energia de ativação para o crescimento do TiN foi de 19 Kcal/mol, obtida a partir da lei temporal linear, e indicou um mecanismo não controlado pela difusão do nitrogênio através da camada de TiN. Os resultados obtidos indicam que o nitrogênio difunde através de túneis, ricos em Nb, onde sua difusão é mais rápida do que através do TiN. / The NbTi (50% wt. Ti) alloy nitretation under nitrogen atmosphere (p=760mm) at 800-1000&#176C was studied by X-ray diffractometry, TEM and optical metallograpy. During the reaction the two phases (Ti2N &#948 and TiN &#958) growed continuously, the (Ti2N, N2) reaction front growed faster than the (TiN, N2). A method for study the scale growing was proposed using X-ray diffractometry data. By using this method, the growth of TiN scale was analyzed and the activation energy of 19 Kcal/mol was determined using a linear timming Law indicating a mechanism not controlled by diffusion througth TiN layer. The present results suggest that the diffusion through the tight tunnels, rich in Nb, allow a fast transport of nitrogen through the TiN layer.

This thesis consists of three main parts, starting with the use of improved nitridation processes to grow acceptable quality gate oxides on silicon carbide (SiC)[1]–[7], to the comprehensive investigation of basic electron-hole generation process in 4H SiC-based metal–oxide–semiconductor (MOS) capacitors [8], [9], and concluding with the experimental demonstration and analysis of nonvolatile characteristics of 4H SiC-based memory devices [10]–[15]. In the first part of the thesis, two improved versions of nitridation techniques have been introduced to alleviate oxide-growth rate and toxicity problems. Using a combination of nitridation and oxidation processes, a sandwich technique (nitridation–oxidation–nitridation) has been proposed and verified to solve the lengthy and expensive oxide-growing process in direct nitric oxide (NO) gas [1]. The nitrogen source from the toxic-NO gas has been replaced by using a nontoxic nitrous oxide (N2O) gas. The best combination of process parameters in this gas is oxide-growing temperature at 1300oC with 10% N2O [2], [3]. The quality of nitrided gate oxides obtained by this technique is lower than the sandwich technique [6], [13]. Using 4H SiC-based MOS with nitrided gate oxides grown by either of the abovementioned nitridation techniques, the fundamentals of electron-hole generation have been investigated using high-temperature capacitance–transient measurements. The contributions of carrier generation, occurring at room temperature, in the bulk and at the SiC–SiO2 interface are evaluated and compared using a newly developed method [8], [9]. The effective bulk-generation rates are approximately equal for both types of nitrided oxides, whereas the effective surface-generation rates have been shown to exhibit very strong dependencies on the methods of producing the nitrided gate oxide. Based on analysis, the prevailing generation component in a SiC-based MOS capacitor with nitrided gate oxide is at SiC–SiO2 interface located below the gate. Utilizing the understanding of electron-hole generation in SiC, the nonvolatile characteristics of memory device fabricated on SiC have been explored. The potential of developing a SiC-based one-transistor one-capacitor (1T/1C) nonvolatile-dynamic memory (NDM) has been analyzed using SiC-based MOS capacitors as storage elements or test structures. Three possible leakage mechanisms have been evaluated [10]–[16]: (1) leakage via MOS capacitor dielectric, (2) leakage due to electron-hole generation in a depleted MOS capacitor, and (3) junction leakage due to generation current occurred at a reverse-biased pn junction surrounding the drain region of a select metal–oxide– semiconductor field–effect–transistor (MOSFET). Among them, leakage through capacitor oxide remains an important factor that could affect the nonvolatile property in the proposed device, whereas others leakage mechanisms are insignificant. Based on the overall results, the potential of developing a SiC-based 1T/1C NDM is encouraging.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:35:25Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:05:42Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

A nitretação da liga NbTi 50% em peso de Ti, foi examinada em uma atmosfera de nitrogênio, na faixa de temperatura 800-1000&#176C, utilizando-se a técnica de difratometria de raios-X, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e metalografia. Foi observada a formação de duas camadas contínuas de nitretos sobre a matriz: fase-&#948 (TiN) mais externa e a fase-&#958(Ti2N) mais interna. As duas camadas cresceram continuamente durante a reação, sendo que, a frente de saturação da matriz, pelo nitrogênio, cresceu mais rapidamente do que a frente de saturação do TiN. Foi proposto um método, utilizando-se dados de difratometria de raios-X, para se estudar o crescimento de camadas, sobre metais e ligas, formadas durante a reação com gases. A aplicação deste método permitiu fazer uma avaliação da cinética de crescimento da camada de TiN sobre a camada de Ti2N. A energia de ativação para o crescimento do TiN foi de 19 Kcal/mol, obtida a partir da lei temporal linear, e indicou um mecanismo não controlado pela difusão do nitrogênio através da camada de TiN. Os resultados obtidos indicam que o nitrogênio difunde através de túneis, ricos em Nb, onde sua difusão é mais rápida do que através do TiN. / The NbTi (50% wt. Ti) alloy nitretation under nitrogen atmosphere (p=760mm) at 800-1000&#176C was studied by X-ray diffractometry, TEM and optical metallograpy. During the reaction the two phases (Ti2N &#948 and TiN &#958) growed continuously, the (Ti2N, N2) reaction front growed faster than the (TiN, N2). A method for study the scale growing was proposed using X-ray diffractometry data. By using this method, the growth of TiN scale was analyzed and the activation energy of 19 Kcal/mol was determined using a linear timming Law indicating a mechanism not controlled by diffusion througth TiN layer. The present results suggest that the diffusion through the tight tunnels, rich in Nb, allow a fast transport of nitrogen through the TiN layer.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:35:25Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:05:42Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Foi estudado o comportamento da nitretação de aços inoxidáveis austeniticos AISI 304 e 316 através de comparação entre diferentes graus de deformações anteriores aos processos de nitretações gasosa, plasma e líquida. A microestrutura, espessura, microdureza e microcomposição química foram avaliadas por técnicas de microscopia óptica, microdureza, microscopia eletrônica de varredura e difração de raios x. Por meio destas técnicas observou-se que deformações plásticas prévias não influenciaram diretamente na espessura da camada nitretada. Uma maior profundidade de difusão pode ser observada nos aços AISI 304. Além disso, duas camadas distintas podem ser identificadas como resultado dos tratamentos, uma formada por uma matriz de austenita expandida pelos átomos de nitrogênio e outra abaixo com menor espessura expandida por átomos de carbono. / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Atualmente, quando se tem a necessidade de nitretar peças produzidas pela metalurgia do pó, usa-se a nitretação a plasma. Apesar de ser um processo de alto custo, com diversas dificuldades operacionais e de ajuste de processo, a nitretação a plasma é o único processo viável para nitretar esses materiais por ter uma ação apenas superficial, não apresentando ação nitretante no interior dos poros. Nos processos de nitretação a gás e banho de sais, o meio nitretante penetra na porosidade (interconectada) dos materiais sinterizados, havendo assim a formação de camada branca em uma grande profundidade da peça (ou mesmo na peça toda), gerando problemas de deformação e fragilização do componente. Este trabalho teve por objetivo a aplicação do processo shot peening em peças sinterizadas com a finalidade de fechar a porosidade superficial das peças e estudar seu comportamento sob o processo de nitretação a gás. O estudo verifica que o material sinterizado submetido à nitretação gasosa permitiu a entrada do meio nitretante pelos poros abertos e interconectados promovendo a formação de camada branca no interior dos poros de praticamente todo o volume da peça. Essa camada branca no interior do material fragiliza o componente e inviabiliza sua utilização como componente em praticamente qualquer aplicação industrial. As peças sinterizadas jateadas com granalhas de aço antes da nitretação também permitiram o acesso do meio nitretante no interior do componente, porém, sem potencial suficiente para a formação de camada branca. As amostras jateadas apresentaram apenas agulhas de nitretos formados durante a nitretação. / Plasma nitriding is the process used to nitriding components produced by powder metallurgy. Although its high coast and operational difficulties, this is the best process for this kind of materials because the nitring occurs only in the surface. In gas and liquid nitriding processes the nitriding atmosphere goes through interconnected porous and the white layer forms not only on the surface but around internal porous resulting in embrittlement and deformation of the component. The aim of this work was evaluate the gas nitriding behavior of iron samples as received and previously submitted to shot peening process in order to close superficial porosities in a gas nitriding process. The results have shown that during gas nitriding the samples as received, did not present white layer at the surface but around the porous in the bulk of the sample. This fact suggested that the gaseous atmosphere goes through interconnected porous. This white layer causes the embrittlement of the component and its use in industrial application is not recommended. Otherwise, samples previously submitted to shot peening process before nitriding showed an external white layer but also permitted the access of nitriding atmosphere to the bulk of the sample, but in this case the nitriding potential was not sufficient to form white layer around internal porous.

Résumé confidentiel. Non communicable / Résumé confidentiel. Non communicable

The pursuit of sustainable and high-performance materials is of utmost significance in driving the progress of battery technologies. Solid-state technology represents a promising avenue for the development of batteries with improved sustainability and performance. In this context, the present study delves into the examination of composition and the substitution of oxygen with nitrogen within the 50Li2O-xSiO2-(50-x)P2O5 glass system, specifically as applied to Solid-State electrolytes. The objective is to evaluate the influence of these factors on the electrical properties of the glass and their potential implications for Solid-State battery technology. The glass matrix was obtained through the melt-quenching technique, followed by comprehensive characterization using electrochemical impedance spectroscopy. The influence of varying silica content on the conductivity of the glass was investigated. This led to the selection of the glass system with the highest conductivity for further experiments involving nitridation. Subsequent experiments on nitridation aimed to explore the impact of nitrogen incorporation on the conductivity of the glass. By systematically varying the nitrogen content at different temperatures, the study sought to elucidate the relationship between nitrogen content and the resulting increase in glass conductivity.    The study reveals a noteworthy finding regarding the impact of nitrogen content on the conductivity of the glass. Specifically, when the nitrogen content was increased, the conductivity increased. In the case of a similar glass composition in pellet form, the conductivity at room temperature increased from Log σ = -8,009 (for glass without nitrogen) to Log σ = -6,951 (for nitrided glass). Additionally, the introduction of nitrogen into the glass resulted in a decrease in activation energy, being reduced from 0,66 eV (for oxide glass) to 0,60 eV (for oxynitride glass). These results indicate a clear correlation between increased nitrogen content and enhanced electrical properties of the investigated glasses; although obtaining a homogeneous bulk glass after nitridation was not feasible. Therefore, the nitrided samples were pelletized and sintered under different thermal conditions to obtain characterizable samples. The findings suggest that nitrogen substitution could be a promising approach for enhancing the electrical properties of the glasses of the title system of composition. Further investigation is required to optimize the process and achieve homogeneous bulk oxynitride glass.

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Neste trabalho foram fabricados diodos túnel MOS Al/SiOxNy/Si(p) e TiN/SiOxNy/Si(p) com áreas de 300µm x 300?m e de 700?m x 700µm. Para o crescimento do oxinitreto de silício (SiOxNy), como dielétrico de porta, foi utilizado um forno térmico junto com um aparato de quartzo para processamento de apenas uma lâmina por vez. Foi empregada uma temperatura de processamento de 850°C e fluxos de gases ultrapuros ajustados na proporção em volume de 5N2 : 1O2 (2 l/min. de N2 e 0,4 l/min. de O2). Foi constatado que a nitretação térmica rápida do silício introduz armadilhas no dielétrico de porta de duas naturezas: a) armadilhas do tipo K na interface dielétrico-silício devido à existência de ligações Si?N que podem armazenar elétron, lacuna ou ficar em um estado neutro e b) armadilhas geradas devido à quebra das cadeias Si-O-Si durante a oxinitretação. As armadilhas criadas durante a nitretação térmica rápida, tanto na interface como no corpo, influíram no mecanismo de tunelamento através do dielétrico de porta que foi predominantemente do tipo tunelamento assistido por armadilhas (TAT). A partir da característica J-V típica de diodos túnel MOS com porta de Al, verificou-se para VG =-1V que os níveis de densidade de corrente atingem 64mA/cm2, valor que é superior aos valores obtidos para óxidos de porta com espessura na faixa de 1-1,5nm na literatura apesar do nosso dielétrico apresentar espessura média de 2,1nm. Tal fato foi uma evidência clara de que um outro mecanismo diferente de tunelamento direto ocorreu no oxinitreto de silício crescido. Nos diodos túnel MOS, com porta de Al, observou-se a presença de dois picos característicos na curva C-V, o primeiro deles em tensão de porta mais negativa com uma fenomenologia que permitiu extrair a tensão de faixa plana (VG = VFB). O segundo pico na característica C-V do diodo MOS com porta de Al ocorreu em uma tensão menos negativa VG=VK= -0,78V o que foi atribuído à uma capacitância devido às armadilhas de interface Si?N localizadas dentro da banda proibida junto à interface silício-dielétrico e cerca de 0,16eV abaixo do nível de energia intrínseco do semicondutor. Para tensões de porta positivas, foi também constatada uma clara dependência da densidade de corrente com a intensidade da luz (0,05W/cm2 e 0,1W/cm2) devido à taxa de geração dentro do semicondutor. Da modelagem do tunelamento de corrente na região de depleção, verificou-se que a largura de depleção resultou sistematicamente maior do que a largura de depleção de equilíbrio, fato que permitiu concluir que o diodo túnel MOS entra em um estado de depleção profunda quase estacionária induzida pela corrente de tunelamento que atravessa o dielétrico de porta. / In this work Al/ SiOxNy/Si(p) and TiN/SiOxNy/Si(p) MOS tunnel diodes were fabricated with areas of 300µm x 300µm x 700µm and 700µm. For the growth of silicon oxynitrides (SiOxNy) as gate dielectrics, it was used a heating furnace with a quartz apparatus for single wafer processing. It was employed a processing temperature of 850°C and ultrapure gas flows adjusted in a volume proportion of 5N2:1O2 (2 l/min of N2 and 0.4l/min of O2). It has been found that the rapid thermal nitridation of silicon introduces traps in the gate dielectrics of two natures: a) K-type traps at the dielectric-silicon interface due to Si?N bonds that can store electrons or holes or can stay in a neutral state and b) traps generated from broken Si-O-Si chains during the oxynitridation. The traps created at the interface and in the oxynitride bulk, both influenced the tunneling mechanism through the gate dielectrics, which was predominantly a trap assisted tunneling (TAT). For VG = -1V, the current density of the Al-gate MOS tunnel diodes reached 64mA/cm2, a value which is higher than the reported values obtained for gate oxides with thickness in the range of 1-1.5nm in spite of our oxynitride thickness is 2.1nm. This fact is a clear evidence that another mechanism, different from direct tunneling, occurred in the silicon oxynitrides. For Al-gate MOS tunnel diodes, it was observed the presence of two characteristic peaks in the C-V curve: the first for more negative gate voltage with a phenomenology that allows one to extract the flat band voltage (VG = VFB). The second peak was located at a gate voltage VG = VK = -0.78V corresponding to a depletion regime and its maximum of capacitance was attributed to Si?N interface traps located in the bandgap at the silicon-dielectric interface, about 0.16eV below the intrinsic energy of the semiconductor. It was also observed a clear dependence of the current density against the light intensity (0.05/cm2 to 0.10W/cm2) due to the carriers generation inside the semiconductor. From the modeling of the current mechanism through the depletion region, it was found that the depletion width was systematically higher than the depletion width at the thermal equilibrium regime, a fact showing that the MOS tunnel diode achieves an almost stationary deep depletion, which is feeded by the tunneling current through the gate dielectrics.