Apresentamos mecanismos de formação e de degradação térmica de filmes fi- nos (espessura da ordem de 10 nm) de diferentes dielétricos sobre substrato de silício monocristalino. Tendo em vista a aplicação dessas estruturas em MOSFETs (transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor), estudamos o consagrado óxido de silício (SiO2), os atuais substitutos oxinitretos de silício (SiOxNy) e o possível substituto futuro óxido de alumínio (Al2O3). Nossos resultados experimentais baseiam-se em técnicas preparativas de substituição isotópica e de caracterização física com feixes de íons (análise com reações nucleares) ou raios- X (espectroscopia de fotoelétrons). Observamos que: (a) átomos de silício não apresentam difusão de longo alcance (além de ~ 2 nm) durante o crescimento de SiO2 por oxidação térmica do silício em O2; (b) nitretação hipertérmica é capaz de produzir filmes finos de oxinitreto de silício com até dez vezes mais nitrogênio que o resultante do processamento térmico usual, sendo que esse nitrogênio tende a se acumular na interface SiOxNy/Si; e (c) átomos de oxigênio, alumínio e silício migram e promovem reações químicas durante o recozimento térmico de estruturas Al2O3/SiO2/Si em presença de O2. Desenvolvemos um modelo de difusão-reação que poderá vir a permitir o estabelecimento de condições ótimas de processamento térmico para filmes finos de Al2O3 sobre silício a serem empregados na fabricação de MOSFETs. / We present mechanisms of formation and thermal degradation of thin films (thickness about 10 nm) of different dielectrics on monocrystalline silicon substrate. Having in sight the application of such structures in MOSFETs (metal-oxidesemiconductor field effect transistors), we studied the standard silicon oxide (SiO2 ), its current substitutes silicon oxynitrides (SiO xNy) and the possible future substitute aluminum oxide (Al 203 ). The experimental results in this thesis are based on preparation techniques involving isotopic substitution and on physical characterization with ion beams (nuclear reaction analysis) or X-rays (photoelectron spectroscopy). We have observed that: (a) silicon atoms do not present long range diffusion (more than 2 nm) during the growth of SiO 2 by thermal oxidation of silicon in 02 ; (b) hyperthermal nitridation can yield silicon oxynitride thin films with up to ten times more nitrogen than the resulting from conventional thermal processing, and this nitrogen tends to accumulate at the SiO xNy/Si interface (c) oxygen, aluminum, and silicon atoms migrate and promote chemical reactions during thermal annealing of Al203/Si02/Si structures in the presence of 02 . A diffusion-reaction model was developed based on these results. In the future, this model may lead to optimal thermal processing conditions for Al 203 films on silicon to be used in MOSFET fabrication.

Neste trabalho, filmes finos e nanotubos (NTs) de Ta3N5 foram sintetizados por termo-nitretação a partir de Ta2O5 amorfo. Filmes finos de Ta2O5 foram preparados por rádio frequência magnetron sputtering e os nanotubos foram preparados por anodização electroquímica. Foram investigadas as propriedades eletrônicas, ópticas, estruturais, superfíciais e, particularmente, as propriedades fotoeletroquímicas dos amostras de Ta3N5. Difração de raios-X e análises de microscopia eletrônica de alta resolução mostraram que filmes finos de Ta3N5 apresentam fase monoclínica, enquanto nanotubos de Ta3N5 estrutura cristalina ortorrômbica. Para os filmes finos de Ta3N5 foram obtidos constantes ópticas por elipsometria espectroscópica. O valor obtido para a constante dielétrica foi de 7–9 na região espectral visível (3,1-1,7 eV). Após o estudo dos filmes finos de Ta3N5 as investigações centraram-se nos nanotubos. Para preservar a morfologia tubular em altas temperaturas de nitretação, o processo de anodização foi otimizado para aumentar a aderência e a espessura da parede dos nanotubos de Ta2O5.O refinamento Rietveld mostrou que o processo de nitretação resulta em defeitos Schottky de nitrogênio e tântalo, além de isso, a amostra apresenta defeitos substitucionais do oxigênio. Utilizando voltametria cíclica, cronoamperometria e espectroscopia de impedância electroquímica foi observado que o desempenho fotoeletroquímico inferior dos nanotubos puros de Ta3N5 é atribuído à presença de estados aprisionados associados a interface dos nanotubos de Ta3N5–electrólito com electrólito padrão. Ainda, mesmo altamente cristalinos os nanotubos puros de Ta3N5 não podem suportar os estados de aprisionamento mencionados, que prejudicam o desempenho do fotoanodo e, assim, necessitam a aplicação de maior polarização externa (> 1,23 V vs RHE). Estes resultados não foram observados no electrólito contendo reagente de sacrifício. A espectroscopia de impedância electroquímica mostrou que o transporte de carga na interface de semicondutores–eletrólito é altamente influenciada pelas condições de nitretação. No entanto, a banda plana de nanotubos de Ta3N5 puro mantem-se inalterada. Verificou-se que para um melhor desempenho fotoelectroquímico das nanotubos de Ta3N5 a temperatura de nitretação deve ser suficientemente elevada para melhorar a cristalinidade, mas o tempo deve ser curto o suficiente para preservar a morfologia tubular. A melhora do desempenho fotoeletroquímico foi relacionada com baixo teor de oxigênio, alta cristalinidade, baixa formação de defeitos e baixa transferência de carga na interface do semicondutor com o eletrólito, obtidos em condições de anodização e nitretação ideais. / In this work thin films and nanotubes (NTs) of Ta3N5 have been synthesized by thermal nitridation of amorphous Ta2O5 starting materials. Ta2O5 thin films were prepared by radio frequency magnetron sputtering; whereas Ta2O5 NTs were prepared by electrochemical anodization. With the aim to investigate electronic, optical structural, surface, and particularly photoelectrochemical properties; the Ta3N5 samples were studied employing thorough characterization techniques. X-ray diffraction and high resolution electron microscopy analyses have shown that Ta3N5 thin films exhibit monoclinic phase whereas Ta3N5 NTs present orthorhombic crystalline structure of Ta3N5. Utilizing Ta3N5 thin films the optical constants were obtained by spectroscopic ellipsometry. The obtained dielectric constant of Ta3N5 thin film was in the range of 7–9 in the visible spectral region (3.1–1.7 eV). After studying Ta3N5 thin films the investigations were focused on the NTs. To preserve the tubular morphology of Ta3N5 NTs at higher nitridation temperatures the anodization was optimized by fine-tuning the adherence and the wall thickness of Ta2O5 NTs. The Rietveld refinement has confirmed that in addition to oxygen substitutional defects the nitridation process results in Schottky defects of nitrogen and tantalum within the crystalline structure. Utilizing cyclic voltammetry, chronoamperometry and electrochemical impedance spectroscopy it was observed for the first time that lower photoelectrochemical performance of pristine T3N5 NTs is attributed to the presence of trapping states associated with T3N5 NTs–electrolyte interface in standard electrolyte. Even highly crystalline pristine Ta3N5 NTs could not cope with these trapping states. These states devastate the performance of the photoanode and present the necessity of applying higher biasing (> 1.23 V vs RHE); which is a major drawback of using pristine Ta3N5 NTs for water splitting. These were not observed in the electrolyte containing sacrificial reagent due to its efficient hole scavenging ability. Electrochemical Impedance spectroscopy has shown that the charge transportation at the Semiconductor–Electrolyte interface is highly influenced by the nitridation conditions; however, the flat band of pristine Ta3N5 NTs remained unchanged. It was found that for improved photoelectrochemical performance of Ta3N5 NTs the nitridation temperature should be high enough to improve crystallinity but the time should be short enough to preserve the tubular morphology. The improved photoelectrochemical performance was related to low oxygen content, high crystallinity, low defects formation and low interfacial charge transfer at Semiconductor–Electrolyte interface, obtained at optimum anodization and nitridation conditions.

Apresentamos mecanismos de formação e de degradação térmica de filmes fi- nos (espessura da ordem de 10 nm) de diferentes dielétricos sobre substrato de silício monocristalino. Tendo em vista a aplicação dessas estruturas em MOSFETs (transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor), estudamos o consagrado óxido de silício (SiO2), os atuais substitutos oxinitretos de silício (SiOxNy) e o possível substituto futuro óxido de alumínio (Al2O3). Nossos resultados experimentais baseiam-se em técnicas preparativas de substituição isotópica e de caracterização física com feixes de íons (análise com reações nucleares) ou raios- X (espectroscopia de fotoelétrons). Observamos que: (a) átomos de silício não apresentam difusão de longo alcance (além de ~ 2 nm) durante o crescimento de SiO2 por oxidação térmica do silício em O2; (b) nitretação hipertérmica é capaz de produzir filmes finos de oxinitreto de silício com até dez vezes mais nitrogênio que o resultante do processamento térmico usual, sendo que esse nitrogênio tende a se acumular na interface SiOxNy/Si; e (c) átomos de oxigênio, alumínio e silício migram e promovem reações químicas durante o recozimento térmico de estruturas Al2O3/SiO2/Si em presença de O2. Desenvolvemos um modelo de difusão-reação que poderá vir a permitir o estabelecimento de condições ótimas de processamento térmico para filmes finos de Al2O3 sobre silício a serem empregados na fabricação de MOSFETs. / We present mechanisms of formation and thermal degradation of thin films (thickness about 10 nm) of different dielectrics on monocrystalline silicon substrate. Having in sight the application of such structures in MOSFETs (metal-oxidesemiconductor field effect transistors), we studied the standard silicon oxide (SiO2 ), its current substitutes silicon oxynitrides (SiO xNy) and the possible future substitute aluminum oxide (Al 203 ). The experimental results in this thesis are based on preparation techniques involving isotopic substitution and on physical characterization with ion beams (nuclear reaction analysis) or X-rays (photoelectron spectroscopy). We have observed that: (a) silicon atoms do not present long range diffusion (more than 2 nm) during the growth of SiO 2 by thermal oxidation of silicon in 02 ; (b) hyperthermal nitridation can yield silicon oxynitride thin films with up to ten times more nitrogen than the resulting from conventional thermal processing, and this nitrogen tends to accumulate at the SiO xNy/Si interface (c) oxygen, aluminum, and silicon atoms migrate and promote chemical reactions during thermal annealing of Al203/Si02/Si structures in the presence of 02 . A diffusion-reaction model was developed based on these results. In the future, this model may lead to optimal thermal processing conditions for Al 203 films on silicon to be used in MOSFET fabrication.

Neste trabalho, filmes finos e nanotubos (NTs) de Ta3N5 foram sintetizados por termo-nitretação a partir de Ta2O5 amorfo. Filmes finos de Ta2O5 foram preparados por rádio frequência magnetron sputtering e os nanotubos foram preparados por anodização electroquímica. Foram investigadas as propriedades eletrônicas, ópticas, estruturais, superfíciais e, particularmente, as propriedades fotoeletroquímicas dos amostras de Ta3N5. Difração de raios-X e análises de microscopia eletrônica de alta resolução mostraram que filmes finos de Ta3N5 apresentam fase monoclínica, enquanto nanotubos de Ta3N5 estrutura cristalina ortorrômbica. Para os filmes finos de Ta3N5 foram obtidos constantes ópticas por elipsometria espectroscópica. O valor obtido para a constante dielétrica foi de 7–9 na região espectral visível (3,1-1,7 eV). Após o estudo dos filmes finos de Ta3N5 as investigações centraram-se nos nanotubos. Para preservar a morfologia tubular em altas temperaturas de nitretação, o processo de anodização foi otimizado para aumentar a aderência e a espessura da parede dos nanotubos de Ta2O5.O refinamento Rietveld mostrou que o processo de nitretação resulta em defeitos Schottky de nitrogênio e tântalo, além de isso, a amostra apresenta defeitos substitucionais do oxigênio. Utilizando voltametria cíclica, cronoamperometria e espectroscopia de impedância electroquímica foi observado que o desempenho fotoeletroquímico inferior dos nanotubos puros de Ta3N5 é atribuído à presença de estados aprisionados associados a interface dos nanotubos de Ta3N5–electrólito com electrólito padrão. Ainda, mesmo altamente cristalinos os nanotubos puros de Ta3N5 não podem suportar os estados de aprisionamento mencionados, que prejudicam o desempenho do fotoanodo e, assim, necessitam a aplicação de maior polarização externa (> 1,23 V vs RHE). Estes resultados não foram observados no electrólito contendo reagente de sacrifício. A espectroscopia de impedância electroquímica mostrou que o transporte de carga na interface de semicondutores–eletrólito é altamente influenciada pelas condições de nitretação. No entanto, a banda plana de nanotubos de Ta3N5 puro mantem-se inalterada. Verificou-se que para um melhor desempenho fotoelectroquímico das nanotubos de Ta3N5 a temperatura de nitretação deve ser suficientemente elevada para melhorar a cristalinidade, mas o tempo deve ser curto o suficiente para preservar a morfologia tubular. A melhora do desempenho fotoeletroquímico foi relacionada com baixo teor de oxigênio, alta cristalinidade, baixa formação de defeitos e baixa transferência de carga na interface do semicondutor com o eletrólito, obtidos em condições de anodização e nitretação ideais. / In this work thin films and nanotubes (NTs) of Ta3N5 have been synthesized by thermal nitridation of amorphous Ta2O5 starting materials. Ta2O5 thin films were prepared by radio frequency magnetron sputtering; whereas Ta2O5 NTs were prepared by electrochemical anodization. With the aim to investigate electronic, optical structural, surface, and particularly photoelectrochemical properties; the Ta3N5 samples were studied employing thorough characterization techniques. X-ray diffraction and high resolution electron microscopy analyses have shown that Ta3N5 thin films exhibit monoclinic phase whereas Ta3N5 NTs present orthorhombic crystalline structure of Ta3N5. Utilizing Ta3N5 thin films the optical constants were obtained by spectroscopic ellipsometry. The obtained dielectric constant of Ta3N5 thin film was in the range of 7–9 in the visible spectral region (3.1–1.7 eV). After studying Ta3N5 thin films the investigations were focused on the NTs. To preserve the tubular morphology of Ta3N5 NTs at higher nitridation temperatures the anodization was optimized by fine-tuning the adherence and the wall thickness of Ta2O5 NTs. The Rietveld refinement has confirmed that in addition to oxygen substitutional defects the nitridation process results in Schottky defects of nitrogen and tantalum within the crystalline structure. Utilizing cyclic voltammetry, chronoamperometry and electrochemical impedance spectroscopy it was observed for the first time that lower photoelectrochemical performance of pristine T3N5 NTs is attributed to the presence of trapping states associated with T3N5 NTs–electrolyte interface in standard electrolyte. Even highly crystalline pristine Ta3N5 NTs could not cope with these trapping states. These states devastate the performance of the photoanode and present the necessity of applying higher biasing (> 1.23 V vs RHE); which is a major drawback of using pristine Ta3N5 NTs for water splitting. These were not observed in the electrolyte containing sacrificial reagent due to its efficient hole scavenging ability. Electrochemical Impedance spectroscopy has shown that the charge transportation at the Semiconductor–Electrolyte interface is highly influenced by the nitridation conditions; however, the flat band of pristine Ta3N5 NTs remained unchanged. It was found that for improved photoelectrochemical performance of Ta3N5 NTs the nitridation temperature should be high enough to improve crystallinity but the time should be short enough to preserve the tubular morphology. The improved photoelectrochemical performance was related to low oxygen content, high crystallinity, low defects formation and low interfacial charge transfer at Semiconductor–Electrolyte interface, obtained at optimum anodization and nitridation conditions.

Submitted by SANDRO LOMBARDO null (sandro_lombardo@hotmail.com) on 2016-01-20T23:30:41Z No. of bitstreams: 1 Corr Final Tese Dout jan 2016 Jorge.pdf: 23312831 bytes, checksum: 6cc19a3de9b693fbea3cce727e0826ad (MD5) / Approved for entry into archive by Sandra Manzano de Almeida (smanzano@marilia.unesp.br) on 2016-01-21T13:06:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 lombardo_s_dr_guara.pdf: 23312831 bytes, checksum: 6cc19a3de9b693fbea3cce727e0826ad (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-21T13:06:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 lombardo_s_dr_guara.pdf: 23312831 bytes, checksum: 6cc19a3de9b693fbea3cce727e0826ad (MD5) Previous issue date: 2015-12-21 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Os aços Maraging são aços de ultra-alta-resistência, tem composição à base de ferro ligado com cerca de 18% de níquel, com limite de esoamento entre 1.400 a 2.500 MPa. Possuem propriedades superiores, tais como a alta ductilidade, boa soldabilidade, tratamento térmico simples sem deformações, boa usinabilidade, alta resistência e resistência ao desgaste. A sua boa tenacidade permiti que suporte tensões repetidas de fadiga por maior tempo, comparado com outros aços de alta resistência. Para o presente trabalho, a partir de diversos testes de solda a laser, aplicação de tratamentos térmicos e tratamento superficial de nitretação a plasma, foram estudadas as propriedades mecânicas através de ensaios de tração, fadiga, impacto, dureza e rugosidade. Foram também analisadas, com auxílio do Microscópio Óptico, as características microstuturais da zona de fusão (ZF), zona térmica afetada (ZTA) pelo calor da solda e camada nitretada. Com o auxílio de um Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) analisou-se o mecanismo da fratura e foram realizadas análises por E.D.S. (Energia Dispersiva de Raios X). Foram realizados vários teste com tempos e temperaturas para se definir a melhor condição de envelhecimento, obteve-se a temperatura de 480°C por 3 horas como satisfatoria. A solda a laser mostrou-se eficaz para a união das chapas, com perda de resistência inferior a 10%, quando comparada com a resistência do aço maraging sem solda. As análises da superfície fraturada mostram que a ruptura dos corpos de prova soldados ocorrereu na região da zona fundida, e possui natureza dúctil, com a formação de dimples, para todas as condições de tratamento térmico, o processo de soldagem e nitretação a plasma não alteraram o tipo de fratura típica dos aços maraging. A vida em fadiga não foi prejudicada pela nitretação, porém, foi observado uma redução da vida em fadiga do material soldado comparado com o material sem solda. Os resultados indicam, que o tratamento térmico de envelhecimento elevou as propriedades mecânicas do aço maraging tanto do material soldado como do nitretetado a plasma, com valores de resistência de aproximadamente 2.000 MPa e alongamento em torno de 8%. / Maraging Steels are ultra-high-strength, that have their composition based on iron alloyed with approximately 18% Nickel, with yield strength between 1.400 to 2.400 MPa. They have superior properties, such as high ductility, good weldability, simple heat treatment without deformation, good machinability, high strength and wear resistance. Their hardness and resistance allow them to supports repeated stress of longer fatigue in comparison with other high strength steels. The maraging steel has a significant cost advantage due to the good workability, predictable and uniform retraction during heat treatment, making this steel be promising. For this work, from various laser welding tests, heat treatment and surface treatment of plasma nitriding, The mechanical properties were studied by means of testing: traction; fatigue; impact; hardness; and roughness. We also analyze, with the aid of optical microscope, the microstructural characteristics of the fusion zone (FZ), the heat affected zone (HAZ) due the welding and by nitrided layer. With the aid of SEM (Scanning Electron Microscope) and EDS (Energy Dispersive Scanning), we analyzed the fractured mechanisms. Several tests were carried out with times and temperatures to determine the best aging condition and the chosen temperature was 480°C for 3 hours. The application of laser welding seems to be effective for joining the plates with loss in the yield strength or tensile strength less than 10%, compared with the strength of maraging steel without welding. The analyses of the fractured surface showed that the rupture of the welded samples occurred in the fused zone region and has ductile nature, with formation of dimples for all heat treatment conditions. The welding and plasma nitriding process have not modified the type of typical fracture of the maraging steel. The life in fatigue was not affected by nitrided, however, they observed a reduction in fatigue life of welded material, compared with no soldering material. The results showed that aging heat treatments increased the mechanical properties of maraging steel both welded and plasma nitrided material, whit strength values about 2.000 MPa and elongation nearly 8%.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5328.pdf: 3356098 bytes, checksum: a503c8a6b79850d30c114ab949730e07 (MD5) Previous issue date: 2013-06-10 / Universidade Federal de Sao Carlos / Plasma nitriding is a technique which is used in surface treatments of stainless steel, in order to improve some properties like hardness, wear and corrosion resistance. The nitrided layer consists of some iron nitrides: the cubic y´ phase (Fe4N), the hexagonal yphase (Fe2-3N) and a nitrogen supersatured solid phase yN. Moreover, the phases which are formed and their amount are related to the nitriding parameters: time, temperature, gas mixture (N2/H2) and pressure. On the other hand, the equipment used in this study can be operated using AC or DC current. If the AC current is used, its frequency can vary and possibly influence the Fe-N phase formation as well. In order to study this influence, some ASTM F138 stainless steel disks, showing 19,00 ± 0,01 mm diameter and 2,00 ± 0,01 mm thickness, were plasma nitrided for 4h, at 400ºC, in a 80%H2 - N2 gas mixture, at a pressure of 6 Torr, using AC current, at 6, 12, 30, 60 e 100 kHz. The samples were characterized using Scanning Electron Microscopy, Magnetic Force Microscopy, X Ray Diffraction, Hardness Vickers and Mössbauer Spectroscopy. X Ray Diffractions results detected peaks of yN phase for all samples, which showed higher hardness when compared with matrix. Nitrided layer thickness seems not to be influenced by frequency, except for 12kHz, which produced a layer whose thickness (approximately 8 ym) was about 40% thicker than the average for the other samples. Magnetic Force Microscopy showed that nitrided layer is magnetic near the surface and is paramagnetic in the innermost layer near the matrix. Mössbauer Spectroscopy demonstrated the presence of the yN, yand y´ phases. Moreover, it showed that, although the most superficial region seems to be essentially magnetic, there is also a small contribution of paramagnetic phases. Finally, the samples which were nitrided using 12 kHz showed the best results. / A nitretação a plasma é uma técnica utilizada no tratamento de superfície de aços inoxidáveis, a fim de melhorar algumas de suas propriedades como dureza, resistência ao desgaste e à corrosão, entre outras. A melhoria nessas propriedades se deve à formação de uma camada nitretada formada por fases Fe N: y (Fe4N), y(Fe2- 3N) e a austenita expandida yN. Por sua vez, as fases formadas e a sua quantidade estão relacionadas com os parâmetros da nitretação: tempo, temperatura, mistura gasosa (N2/H2) e pressão. Além disso, o nitretador a plasma usado permite também a escolha do tipo de corrente que alimenta o plasma: alternada (AC) ou contínua (DC), sendo que em AC a frequência da corrente também influenciará na formação das fases Fe-N. Com o intuito de estudar a influência deste parâmetro, amostras de aço inoxidável ASTM F138 com 19,00 ± 0,01 mm de diâmetro e 2,00 ± 0,01 mm de altura foram nitretadas a plasma, durante 4 horas, a 400 oC, com atmosfera de 80%H2 e 20%N2, a 6 Torr, em AC a 6, 12, 30, 60 e 100 kHz. Depois de nitretadas, as amostras foram analisadas por Microscopia Eletrônica de Varredura, Microscopia de Força Magnética, Difração de Raios-X, Microdureza Vickers e Espectroscopia Mössbauer. Em todas as amostras nitretadas houve formação da fase yN e a dureza foi maior do que a amostra sem nitretar. A espessura da camada nitretada não apresentou variação significativa com a variação da freqüência, exceto pela amostra nitretada a 12kHz, cuja camada, de cerca de 8ym, foi 40% mais espessa do a média entre as outras amostras. A microscopia de força magnética mostrou que a camada nitretada é magnética na região mais superficial e paramgnética na região mais próxima à matriz. A Espectrocopia Mössbauer mostrou que houve formação das fases yN, ye y . Além disso, ela mostrou também que, apesar de a camada mais superficial das amostras ser essencialmente magnética, há também uma pequena fração de nitretos paramagnéticos. Finalmente, dentre as frequências estudadas neste trabalho, as amostras nitretadas a 12kHz apresentaram os melhores resultados.

Apresentamos mecanismos de formação e de degradação térmica de filmes fi- nos (espessura da ordem de 10 nm) de diferentes dielétricos sobre substrato de silício monocristalino. Tendo em vista a aplicação dessas estruturas em MOSFETs (transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor), estudamos o consagrado óxido de silício (SiO2), os atuais substitutos oxinitretos de silício (SiOxNy) e o possível substituto futuro óxido de alumínio (Al2O3). Nossos resultados experimentais baseiam-se em técnicas preparativas de substituição isotópica e de caracterização física com feixes de íons (análise com reações nucleares) ou raios- X (espectroscopia de fotoelétrons). Observamos que: (a) átomos de silício não apresentam difusão de longo alcance (além de ~ 2 nm) durante o crescimento de SiO2 por oxidação térmica do silício em O2; (b) nitretação hipertérmica é capaz de produzir filmes finos de oxinitreto de silício com até dez vezes mais nitrogênio que o resultante do processamento térmico usual, sendo que esse nitrogênio tende a se acumular na interface SiOxNy/Si; e (c) átomos de oxigênio, alumínio e silício migram e promovem reações químicas durante o recozimento térmico de estruturas Al2O3/SiO2/Si em presença de O2. Desenvolvemos um modelo de difusão-reação que poderá vir a permitir o estabelecimento de condições ótimas de processamento térmico para filmes finos de Al2O3 sobre silício a serem empregados na fabricação de MOSFETs. / We present mechanisms of formation and thermal degradation of thin films (thickness about 10 nm) of different dielectrics on monocrystalline silicon substrate. Having in sight the application of such structures in MOSFETs (metal-oxidesemiconductor field effect transistors), we studied the standard silicon oxide (SiO2 ), its current substitutes silicon oxynitrides (SiO xNy) and the possible future substitute aluminum oxide (Al 203 ). The experimental results in this thesis are based on preparation techniques involving isotopic substitution and on physical characterization with ion beams (nuclear reaction analysis) or X-rays (photoelectron spectroscopy). We have observed that: (a) silicon atoms do not present long range diffusion (more than 2 nm) during the growth of SiO 2 by thermal oxidation of silicon in 02 ; (b) hyperthermal nitridation can yield silicon oxynitride thin films with up to ten times more nitrogen than the resulting from conventional thermal processing, and this nitrogen tends to accumulate at the SiO xNy/Si interface (c) oxygen, aluminum, and silicon atoms migrate and promote chemical reactions during thermal annealing of Al203/Si02/Si structures in the presence of 02 . A diffusion-reaction model was developed based on these results. In the future, this model may lead to optimal thermal processing conditions for Al 203 films on silicon to be used in MOSFET fabrication.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Andre Luiz Leite.pdf: 5779192 bytes, checksum: 04530876418d79bd340d3b48aad64e35 (MD5) Previous issue date: 2012-07-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The purpose of this study is to find out ways of coatings a SAE 10B30 steel with a TiO2 film, so it may have adhesion and may be known its wear resistance. In this study were investigated three kinds of coatings of TiO2, TiO2 with one on untreated steel, duplex and two treatments: TiO2 provided with nitriding in an atmosphere of 10% nitrogen, and TiO2 prior to nitriding in an atmosphere of 80% nitrogen, and the balance hydrogen gas, and were fixed temperature, pressure, and time of nitriding. The TiO2 film was deposited by triode magnetron reactive sputtering and the nitriding were made by plasma. The samples were characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), microhardness and roughness. Adherence was evaluated by the Rockwell C indentation method described in the VDI 3824 guidelines, and the images of evaluating were obtained by optical microscopy. The wear and the friction coefficient were evaluated through tests in a tribometer type pin on disc and wear surfaces evaluated trough images obtained by SEM. Of all configurations evaluated, the TiO2 duplex coating with sub layer nitrided in an atmosphere of 10% nitrogen resulted in better adhesion, and worse adhesion was observed in the sample with TiO2 deposited on steel without prior nitriding, although this is satisfactory. It was observed that the wear resistance was higher for samples with nitriding in an atmosphere of 10% nitrogen and wear performance was worst in the sample without treatment. The results showed that the TiO2 film has no good wear resistance for none of theconditions tested, but for applications where many cycles or large distances sliding is not required, duplex TiO2 treatment with pretreatment nitrided in an atmosphere of 10 % nitrogen is the most effective, by ensuring better adherence and wear resistance over short distances, compared with the other conditions. / O objetivo deste trabalho é determinar condições para depositar um filme de TiO2 sobre um aço SAE 10B30, de modo que este tenha boa adesão e seja conhecida sua resistência ao desgaste. Neste trabalho foram investigados três tipos de recobrimentos de TiO2, uma com TiO2 sobre aço sem tratamento, e dois tratamentos dúplex: TiO2 com previa nitretação em atmosfera com 10% de nitrogênio e 90% de hidrogênio, e TiO2 com prévia nitretação em atmosfera com 80% de nitrogênio e 90% de hidrogênio, e foram fixadas a temperatura, pressão, e o tempo de nitretação. O filme de TiO2 foi depositado por tríodo magnetron sputtering reativo e as nitretações foram feitas a plasma. As amostras foram caracterizadas através de microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura (MEV), microdureza e rugosidade. A adesão foi avaliada pelo método da identação Rockwell C descrito nas diretrizes da VDI 3824, e as imagens para avaliação foram obtidas através de microscopia ótica. O desgaste e coeficiente de atrito foram avaliados através de ensaios em um tribômetro do tipo pino sobre disco, e as superfícies de desgaste avaliadas através de imagens obtidas por MEV. De todas as configurações avaliadas, o recobrimento dúplex de TiO2 com subcamada nitretada em atmosfera com 10% de nitrogênio resultou na melhor adesão, e a pior adesão foi observada na amostra com TiO2 depositado sobre o aço sem prévia nitretação, embora esta ainda seja satisfatória. Foi observado que a resistência ao desgaste é maior para as amostras com nitretação em atmosfera com 10 % de nitrogênio, e o pior desempenho em desgaste foi da amostra sem tratamento. Os resultados mostram que em nenhuma das condições testadas o filme de TiO2 possui uma boa resistência ao desgaste, mas que para aplicações onde não se exigem muitos ciclos ou grandes distâncias de deslizamento, o tratamento dúplex de TiO2 com pré-tratamento nitretado em atmosfera com 10% de nitrogênio é o mais eficiente, por garantir a melhores adesão e resistência ao desgaste em pequenas distâncias, se comparado com as outras condições.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Resumo - Arcesio.pdf: 51440 bytes, checksum: 8ef4fe0ed322b239b5daaf2be79baeb7 (MD5) Previous issue date: 2013-12-16 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Samples of AISI 304 stainless steel were surface treated with plasma of continuous current, at different times and cycles. The treatment conditions of the first set of samples treated for 20 hours were 400°C, an atmosphere of 44% Ar + 66% H2 for ion bombarding cycles and 75% N2 + 25% H2 for nitriding cycles and pressure 2,0 Torr. For treatments performed for 90 minutes, the following conditions were used: temperature 400°C, 25% Ar + 75% H2 ion bombarding cycles, 25% N2 + 75% H2 for non ion bombarding (nitriding) cycles and pressure of 3.0 Torr. The samples were characterized using scanning electron microscopy, optical microscopy and x-ray diffraction. In the samples treated for 20 hours hardness was measured using a microhardness tester, for samples treated for 90 minutes, nanoindentation test was used to measure hardness and modulus of elasticity. The diffraction results showed that there precipitation of chromium nitrides and iron in all treated samples and the increase in the number of cycles of ion bombarding facilitates the decomposition of austenite expanded nitrides of chromium and iron. The alternating cycles of ion bombarding and nitriding creates interfaces in the interior of nitrided layer. The samples treated without ion bombarding cycles have higher hardness values than the samples with ion bombarding cycles. / Amostras de aço inoxidável AISI 304 foram tratadas superficialmente utilizando plasma de corrente contínua em diferentes tempos e ciclos. As condições a que foi submetido o primeiro conjunto de amostras, tratadas durante 20 horas, foram: temperatura de 400°C, atmosfera de 44% Ar + 66% H2 para os ciclos bombardeamento iônico e 75% N2 + 25% H2 para os ciclos de bombardeamento iônico nitretante (nitretação) e pressão de 2,0 torr. Para os tratamentos realizados durante 90 minutos, utilizou-se as seguintes condições: temperatura de 400°C, 25% Ar + 75% H2 para os ciclos bombardeamento iônico, 25% N2 + 75% H2 para os ciclos de nitretação e pressão de 3,0 Torr. As amostras foram caracterizadas utilizando microscopia eletrônica de varredura, microscopia ótica e difração de raio-x. Nas amostras tratadas por 20 horas, a dureza foi medida utilizando um microdurômetro e para as amostras tratadas por 90 minutos, utilizou-se nanoindentação instrumentada para medida da dureza e do módulo de elasticidade. Os resultados de difração mostraram que houve a precipitação de nitretos de cromo e ferro em todas as amostras tratadas e que o aumento no número de ciclos de bombardeamento iônico favorece a decomposição da austenita expandida em nitretos de cromo e ferro. A alternância entre ciclos de bombardeamento iônico e nitretação cria interfaces no interior da camada nitretada. As amostras tratadas sem ciclos de bombardeamento iônico possuem valores de dureza mais elevados que as amostras com ciclos de bombardeamento iônico.

Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 1 Capa Elisangela.pdf: 88134 bytes, checksum: 928630a2b7c7c224aabda5bd1bfe3ecc (MD5) Previous issue date: 2009-12-11 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work, termochemical nitriding treatments (plasma nitriding, gas nitriding and solid nitriding) were performed in tool steels (AISI H13, AISI P20 and N-8550), with the objective to compare and evaluate the tribological performance and the acquired properties on these three processes and prove the solid nitriding efficiency. Wear tests were conducted in a convencional pin-on-disk apparatus, we obtained the friction coefficient and the amount of wear, with the use of a profiling equipment. The samples were transversally cut after the wear test, and then analysed through microhardness and scanning electron microscopy to verify the formation of nitriding typical layers (white layer and diffusion layer). X- Ray Difratometry proved the presence of the fases Fe4N - _´ and Fe2,3N _. The results showed that solid nitriding presented good performance, promoting the formation of a nitriding layer with compatible microhardness when compared with the other processes and the best results of wear. The higher disadvantage faced was the irregularity in the thickness of the formed layer. / Neste trabalho, tratamentos termoquímicos de nitretação (nitretação a plasma, nitretação gasosa e nitretação sólida) foram aplicados em aços ferramenta (AISI H13, AISI P20 e N-8550), com o objetivo de comparar e avaliar o desempenho tribológico e as propriedades adquiridas nos três processos e comprovar a eficiência da nitretação sólida. Testes de desgaste foram conduzidos em equipamento convencional de pino sobre disco, foram levantados o coeficiente de atrito e o volume de desgaste, esta avaliada com o auxílio de um perfilômetro. As amostras foram cortadas tranversalmente após o teste de desgaste, sendo posteriormente analisadas através de microdureza e microscopia eletrônica de varredura, para verificar a formação das camadas típicas de nitretação (camada branca e de difusão). Difratometrias de Raios X comprovaram a presença das fases Fe4N - _´ e Fe2,3N - _. Os resultados mostraram que a nitretação sólida apresentou boa performance, proporcionando a formação de uma camada nitretada com microdureza compatível à obtida nos outros processos e os melhores resultados de desgaste. A maior desvantagem encontrada foi a irregularidade da espessura da camada formada.