Orientador: José Alexandre Diniz / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-22T13:21:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barros_AngelicaDenardide_D.pdf: 3021280 bytes, checksum: 8f60fdfa3cbdfc2f485daac1670de328 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O objetivo deste trabalho é a obtenção e caracterização de filmes finos de óxido de titânio (TiOx) e de óxido de zinco (ZnO) para aplicações em sensores baseados em transistores de efeito de campo elétrico sensíveis a íons (Ion Sensitive Field Effect Transistor- ISFET) e de ondas acústicas de superfície (Surface Acoustic Waves - SAW), respectivamente. Desta forma, dois diferentes tipos de sensores foram obtidos. O primeiro é o sensor químico ISFET, cujos óxidos de porta foram os filmes de TiOx. Os filmes de Ti foram depositados sobre substrato de Si através do método de evaporação por feixe de elétrons, e, através do método de pulverização catódica (sputtering). Em seguida foram oxidados em forno térmico de processamento rápido (RTP). A caracterização estrutural ocorreu através de elipsometria, de microscopia de força atômica, de espectroscopia Raman, de difração de raios-X e de espectroscopia de absorção de raios-X próximo da borda, constatando a estrutura cristalina tetragonal referente à forma rutilo do TiO2. A caracterização elétrica da melhor amostra através da curva C-V demonstrou constante dielétrica igual a 8, densidade de estados na interface da ordem de 10-10eV-1.cm-2 e densidade de corrente da ordem de 10-4A/cm2. O MOSFET apresentou tensão Early da ordem de kV, e, resistência de saída da ordem de M?. Este dispositivo possui tensão de limiar igual a 0,30V, corrente de fuga da ordem de 10-8A e transcondutância igual a 12?S. O ISFET apresentou sensibilidade em corrente de 63?A/pH e sensibilidade em tensão equivalente a 64mV/pH, valor que encontra-se próximo do esperado de 59mV/pH (limite de Nernst). O segundo sensor é baseado em ondas acústicas de superfície. Esta tese se dedicou na integração deste sensor sobre substrato de Si, que não sendo piezelétrico impossibilita a geração de ondas acústicas. Como alternativa, o ZnO, que é piezelétrico, foi depositado sobre um filme fino de SiO2 sobre Si, tornando viável a confecção de dispositivos do tipo SAW e permitindo o estudo do transporte de cargas aprisionadas nos mínimos e máximos do potencial piezelétrico gerado pelo óxido de zinco sobre o Si. O filme de ZnO depositado por sputtering foi analisado por difração de raios-X apresentando orientação cristalina hexagonal na direção (0002). A onda acústica foi analisada através dos parâmetros de espalhamento de rede e por interferometria. Na interface SiO2/Si, onde ocorre o transporte acústico, o campo piezelétrico vale 0,56kV/cm. O valor da velocidade de propagação da onda acústica é igual a 4243m/s (obtida por simulação, considerando a frequência de ressonância dos IDTs igual a 750MHz, e o comprimento de onda acústico igual a 5,6?m). O transporte de pares elétrons-lacunas gerados por laser foi detectado na região de coleção de cargas da junção lateral p-i-n para distâncias superiores a 50?m e para valores de PRF entre -10dBm e 0dBm. Isto resultou na eficiência de coleção de pares em até 12% (laser sobre a junção), e de 3,5% com o laser 50?m distante da junção. O desenvolvimento destes sensores sobre substrato de Si permitirá a integração com circuitos de condicionamento de sinais fabricados em tecnologia CMOS / Abstract: The aim of this work is to obtain and characterize thin titanium oxide (TiOx) films and zinc oxide (ZnO) films for applications in sensors based on ion sensitive field effect transistors (ISFET) and surface acoustic waves (SAW), respectively. In this way, two different types of sensors were obtained. The first is the chemical sensor ISFET, with TiOx as gate oxides. Ti films were deposited on Si substrate by electron beam evaporation and sputtering. Then, the Ti films were oxidized in rapid thermal processing oven (RTP). The Structural characterization occurred through ellipsometry, atomic force microscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction and x-ray absorption near edge spectroscopy, denoting the tetragonal crystal structure of the rutile form of TiO2. Electrical characterization of the best sample through the C-V curve showed dielectric constant equal to 8, interface states density in the order of 10-10eV-1.cm-2 and current density of the order of 10-4/cm2. The MOSFET presented Early voltage in the order of kV, and output resistance in order of M?. This device has threshold voltage equal to 0.30V, leakage current on the order of 10-8A and transconductance equal to 12?S. The ISFET presented current sensitivity equal to 63?A/pH and voltage sensitivity equivalent to 64mV/pH, which is close to the expected 59mV/pH determined by the Nernst limit. The second sensor is based on surface acoustic waves. This thesis was devoted to the integration of this sensor on the Si substrate, which is not piezoelectric and therefore doesn't allow the generation of acoustic waves. Alternatively, the ZnO which is piezoelectric, when deposited on a thin film of SiO2 on Si, make possible the manufacture of SAW devices and allows the study of carriers transport trapped in the minimum and maximum of the piezoelectric potential generated by the zinc oxide on Si. The ZnO film deposited by sputtering was analyzed by x-ray diffraction showing hexagonal crystalline orientation in the direction (0002). The acoustic wave was analyzed through the network analyzer (scattering parameters) and the interferometer. In SiO2/Si interface, where transport occurs, the piezoelectric field is 0, 56kV/cm. the value of the acoustic wave propagation speed is equal to 4243m/s (obtained by simulation, considering the IDTs resonance frequency equal to 750MHz and the acoustic wavelength equal to 5.6?m). The carrier transport of electrons-holes generated by the incidence of a laser was detected in the collection region of the lateral p-i-n junction for distances exceeding 50 ?m and PRF values between-10dBm and 0dBm. This resulted in a collection efficiency up to 12% (laser on the junction), and 3.5% when the laser was 50?m away from the junction. The development of these sensors on Si substrate will allow integration with signal conditioning circuits manufactured in CMOS technology / Doutorado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Doutora em Engenharia Elétrica

Orientador: Luis Vicente de Andrade Scalvi / Resumo: Este trabalho visa apresentar o desenvolvimento e as principais conclusões referentes à combinação de heterojunções a base de GaAs com óxidos semicondutores, para aplicações em dispositivos optoeletrônicos. O texto foi dividido em duas partes principais, sendo a primeira parte voltada para a síntese e produção do SnO2, relacionada com a formação da heteroestrutura GaAs/SnO2; e a segunda parte é focada na produção dos ressonadores de onda acústicas de bulk,na ordem de GHz, a base de GaAs/ZnO. Na primeira parte, priorizou-se filmes de SnO2, que foram depositados por duas técnicas: sol-gel dip-coating e evaporação resistiva. Os filmes foram depositados sobre substratos de vidro soda-lime, e sobre substratos de GaAs, de quartzo e de a-SiO2. SnO2 foi também depositado sobre filme de GaAs depositado por sputtering. No caso da evaporação resistiva, a rota sol-gel é utilizada também para a preparação do pó que é utilizado como precursor para a evaporação resistiva de filmes de SnO2, combinando essas duas técnicas. Foram investigadas as propriedades ópticas e elétricas de filmes finos de SnO2 dopado com 1% de Er3+ e estruturas hibridas de GaAs/SnO2: Er3+. Entre os principais resultados, verificou-se: 1) espectros de luminescência diferentes do íon Er3+ ao se depositar SnO2 sobre substrato de vidro ou GaAs; 2) Microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva de raios-x (EDX) para filmes de SnO2, depositados por evaporação resistiva, atestaram uma relação... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This work aims to present the development and the main conclusions obtained so far regarding the combination of GaAs-based heterojunctions with semiconductor oxides, for applications in optoelectronic devices. The text has been divided in two main parts, where the first one is related to the synthesis and production of SnO2, associated with the formation of the heterostructure GaAs/SnO2; and the second one if focused on the production of bulk acoustic wave resonators, with frequencies in GHz range, based on GaAs/ZnO. In the first part, attention was given to SnO2 films, deposited by two techniques: sol-gel dipcoating and resistive evaporation, on soda-lime glass substrates, and on GaAs, quartz and a-SiO2 substrates. SnO2 was also deposited on GaAs film deposited by sputtering. In the case of resistive evaporation, the sol-gel route is also used to prepare the powder which is used as a precursor for resistive evaporation of SnO2 films, then, by combining these two techniques. Optical and electrical properties of Er3+ -doped SnO2 thin films were investigated as well as the hybrid structure GaAs/SnO2 .Among the main results were: 1) different luminescence spectra of Er3+ ion when depositing SnO2 on glass or GaAs substrate; 2) scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) for SnO2 films deposited by resistive evaporation show a relationship of the thermal annealing temperature with the concentration of Er ions in the surface layers; 3) this con... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

This thesis investigation, approached from theoretical and practical perspectives, analyzes the most common nondestructive methods and techniques (NDE) applied in the field of architectural preservation in the United States of America. The research covers the study of the performance and common applications of the different nondestructive techniques, to compare them and recognize their possibilities and limitations, both individually and in combination with others. Most of the north American architectural heritage shares two characteristics: it was built after 1850 and it was built in height. Despite real estate speculation and the fact that preservationist movements are relatively young and weak, there is still a vast standing architectural heritage, especially in large cities such as Chicago or New York. This aging architectural heritage requires conservation, adaptation and restoration processes, which constitute an important market. Condition assessment surveys of the architectural element are the first step in those processes. Nondestructive evaluation is an important, when not essential, part of those condition assessment campaigns. There are two other cases in which the US market demands nondestructive evaluation applied to architectural heritage: gathering information about the existing building for real estate investors and confirming the effectiveness of restoration interventions (quality control). The practical research focuses on the Guastavino vault, a construction technique common in the United States; more precisely, it focuses on the detection of delamination in between layers of brick. Rafael Guastavino Moreno was a Spanish architect that emigrated to America with his son, Rafael Guastavino Expósito, in 1881. They imported and patented the timbrel vault; the company that they founded built tiled-vaulted spaces in more than 1,000 buildings in the United States, most of which are part of the current north American architectural heritage. In this thesis, the first block analyzes different techniques and includes examples of real applications. A second block covers five in situ case studies showing combinations of different techniques. The third block consists of an experimental application of NDE to a Guastavino vault built in a laboratory; the objective of this research path and the basis of this pilot study was to evaluate the capabilities of different NDE methods to detect delamination between layers of brick in timbrel vaults. The ultimate goal of this research is to answer two questions: Which of the most common NDE methods used in the United States is most appropriate for which cases, in the field of preservation? And, is it possible to detect delamination between brick layers in Guastavino vaults with access exclusively from above? / La presente tesis doctoral recoge un trabajo de investigación teórico-práctico que analiza las técnicas y métodos de reconocimiento y evaluación no destructivos (END) más utilizados en el campo de la conservación del patrimonio arquitectónico en Estados Unidos. La investigación abarca el estudio del funcionamiento y aplicaciones de las diferentes técnicas y métodos, con el fin de compararlos para reconocer sus posibilidades y limitaciones, individualmente y en conjunto. La mayor parte del patrimonio arquitectónico estadounidense comparte dos características: fue construido después de 1850 y fue construido en altura. Pese a la especulación inmobiliaria y a que los movimientos pro-conservación son relativamente jóvenes y débiles, existe todavía un vasto patrimonio arquitectónico, especialmente en las grandes ciudades como Chicago o Nueva York. Ese patrimonio envejece y requiere de procesos de conservación, adaptación y restauración, que constituyen un importante mercado. Los estudios previos para determinar el estado real del elemento arquitectónico, son el primer capítulo de dichos procesos. La evaluación no destructiva se incluye dentro de los estudios previos y constituye una parte significativa y habitualmente imprescindible. Existen otros dos casos en los que el mercado demanda evaluación no destructiva aplicada al patrimonio arquitectónico: conocer el estado real del edificio en la compraventa de inmuebles y confirmar la efectividad de las intervenciones de restauración. Dentro de las tipologías constructivas estadunidenses, la investigación se focaliza en la técnica constructiva de la bóveda tabicada de Guastavino, concretamente en la detección de pérdida de adherencia entre capas de ladrillo. Rafael Guastavino Moreno fue un arquitecto español que emigró a Estados Unidos junto a su hijo Rafael Guastavino Expósito en 1881 e importó y patentó la bóveda tabicada. La compañía que fundaron, participó en la construcción de espacios abovedados en más de 1.000 edificios en Estados Unidos, muchos de los cuales constituyen una parte del patrimonio arquitectónico estadounidense actual. La tesis consta de un primer bloque teórico, en el que se analizan las diferentes técnicas de END ejemplificándolas con aplicaciones reales. Un segundo bloque incluye cinco casos de estudio in situ en los que se muestran combinaciones de técnicas. El tercer bloque consiste en la aplicación experimental de END a una bóveda tabicada de Guastavino construida en laboratorio, con el fin de determinar la capacidad de diferentes métodos, para detectar la pérdida de adherencia entre capas de ladrillo. En definitiva, objetivo principal de esta tesis es contestar dos cuestiones: ¿qué método de END es más apropiado para qué casos en el patrimonio arquitectónico estadounidense? Y, ¿es posible detectar mediante los métodos de END utilizados en Estados Unidos, la pérdida de adherencia entre hojas de ladrillo en bóvedas tabicadas con acceso únicamente por el trasdós de las bóvedas? / La present tesi doctoral recull un treball de recerca teoricopràctic que analitza les tècniques i mètodes de reconeixement i avaluació no destructiva (END) més utilitzats en el camp de la conservació del patrimoni arquitectònic a Estats Units. La investigació comprèn l'estudi del funcionament i aplicacions de les diferents tècniques, per tal de comparar-los i reconèixer les seves possibilitats i limitacions, individualment i en conjunt. La major part del patrimoni arquitectònic nord-americà comparteix dues característiques: va ser construït després de 1850 i va ser construït en alçada. Malgrat l'especulació immobiliària i el fet que els moviments pro-conservació són relativament joves i febles, hi ha encara un vast patrimoni arquitectònic, especialment a les grans ciutats com Chicago o Nova York. Aquest patrimoni envelleix i requereix de processos de conservació, adaptació i restauració, que constitueixen un important mercat. Els estudis previs es realitzen abans de un projecte de restauració per a determinar l'estat real de l'element arquitectònic. Les tècniques d'avaluació no destructiva s'inclouen dins dels estudis previs i constitueix una part significativa i habitualment imprescindible. Hi ha altres dos casos en els que el mercat demanda avaluació no destructiva aplicada al patrimoni arquitectònic: per una banda, conèixer l'estat real de l'edifici en la compravenda d'immobles, i per l'altra banda, confirmar l'efectivitat de les intervencions de restauració. Dins de les tipologies constructives nord-americanes, aquesta investigació es focalitza en la tècnica constructiva de la volta de Guastavino o volta catalana, i concretament en la detecció de pèrdua d'adherència entre les capes de rajoles, una lesió comú en aquestes voltes. Rafael Guastavino Moreno va ser un arquitecte espanyol que va emigrar als Estats Units al costat del seu fill Rafael Guastavino Expósito en 1881, important la tècnica mediterrània de la volta catalana. Van fundar una companyia que va participar en la construcció d'espais de volta en més de 1.000 edificis als Estats Units, molts dels quals constitueixen una part del patrimoni arquitectònic nord-americà actual. La tesi consta d'un primer bloc teòric, en el qual s'analitzen les diferents tècniques d'avaluació no destructiva exemplificant-les amb aplicacions reals. Un segon bloc inclou cinc casos d'estudi in situ en els quals es mostren combinacions d'aquestes tècniques. El tercer bloc consisteix en l'aplicació experimental de END a una volta de Guastavino construïda en laboratori, amb la finalitat de determinar la capacitat de diferents mètodes per detectar la pèrdua d'adherència entre capes de rajoles. En definitiva, l'objectiu principal d'aquesta tesi és contestar dues qüestions: ¿Quin mètode de END és més apropiat per a quins casos en el patrimoni arquitectònic nord-americà? I, ¿Es possible detectar mitjançant els mètodes de END, la pèrdua d'adherència entre capes de rajoles en voltes de Guastavino amb accés únicament per l'extradós? / Miguel Alcalá, BAD. (2017). Evaluación No Destructiva Aplicada a la Conservación del Patrimonio Arquitectónico en los Estados Unidos de América [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86181

In this work we studied electron dynamics in two 1-D distinct systems: (1) anharmonic lattice with electron-phonon interaction under the effect of a static parallel electric field and (2) harmonic alloy with uncorrelated diagonal disorder, electron-phonon interaction and under the effect of surface acoustic wave (SAW). In both cases we used quantum mechanics formalism for the electron and a classical Hamiltonian for chain vibrations. Moreover, electron-phonon coupling was described by a transfer energy function which depends on relative distance of nearest neighbor ions. We developed numerical calculation employing Taylor truncated expansion method for Schrödinger's equation time evolution operator and other two for lattice deformation (Euler and finite difference). Results (1) point out to the existence of a competition among electron-lattice coupling and electric field. The former promotes a electron-soliton pair formation, which moves along the chain and the latter traps electron around initial position generating Bloch-like oscillations. On system (2), association between SAW and eletron-phonon interaction promotes the breakdown of Anderson localization and charge transport even in a high disorder level. We had acceptable numerical tolerance and our calculations are in agreement to the theory. / Neste trabalho foi estudado o problema dinâmica de um elétron em dois sistemas unidimensionais distintos: (1) rede não harmônica com interação elétron-fônon e sob a ação de um campo elétrico estático aplicado paralelamente a ela e (2) rede harmônica com desordem diagonal não correlacionada, com interação elétron-fônon e sob a influência de ondas acústicas de superfície (SAW). Nos dois casos, foram utilizados formalismo quântico para o estudo do elétron e uma hamiltoniana clássica para as vibrações da cadeia. Além disso, o acoplamento do ente quântico com a rede foi descrito a partir da energia de transferência entre íons vizinhos, com aquela sendo dependente da distncia efetiva destes. Foi aplicado o método numérico de expansão truncada de Taylor para a evolução temporal da equação de Schrödinger dependente do tempo em ambos os casos, enquanto para a dinâmica das deformações foram empregados métodos distintos (Euler e diferenças finitas). Os resultados de (1) apontaram para a ocorrência de uma competição entre o acoplamento elétron-fônon e o campo elétrico. O primeiro promove um par elétron-soliton que se move ao longo da cadeia e o segundo aprisiona o elétron em torno de sua posição inicial criando oscilações semelhantes às de Bloch. No sistema (2), a associação entre SAW e a interação elétron-rede destroem o fenômeno da localização de Anderson permitindo o transporte de carga, mesmo em níveis altos de desordem. Os níiveis de precisão numérica são aceitáveis e os cálculos estão em consonância com os preceitos teóricos.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No presente trabalho, um algoritmo algébrico sequencial é utilizado para descrever a propagação de ondas acústicas ao longo de uma barra e utilizado na identificação de danos. Esse algoritmo é validado com base nos conficientes de sensibilidade dos ecos correspondentes aos diferentes cenários de danos apresentados. Na formulação do problema de identificação de dano, o campo de impedância generalizada, que minimiza o funcional definido como a distância entre o eco calculado e o eco experimental sintético é procurado. Os tempos de percurso da resposta, obtidos a partir de experimentos numéricos, são utilizados para identificar a posição, intensidade e forma do dano. Para simular dados corrompidos, diferentes níveis de ruído - variando de 30 a 0 dB - são introduzidos. O processo de identificação foi avaliado com os seguintes métodos de otimização: Otimização por Enxame de Partículas (PSO); Luus-Jaakola (LJ); Algoritmo de Colisão de Partículas (PCA); Algoritmos Genéticos (GA) e Recozimento Simulado (SA); e a hibridização desses métodos com o método determinístico de Levenberg-Marquardt. É mostrado que o processo de identificação de dano construído sobre a abordagem de propagação de ondas acústicas foi bem sucedido, mesmo para dados ruidosos altamente corrompidos. Os resultados dos casos testes são apresentados e algumas observações sobre as vantagens dos métodos determinísticos e estocásticos e sua combinação também são relatados. / In the present work, a sequential algorithm is used for describing the acoustic wave propagation along a bar and applied for damage identification purposes. The algorithm is validated based on the sensitivity coefficients of the corresponding echoes to the adressed damage scenarios. In the formulation of the damage identification problem, the generalized impedance field, that minimizes the functional defined as the distance between the calculated echo and the synthetic experimental one is sought. Time history responses, obtained from pulse-echo experiments, are used to identify damage position, severity and shape. In oder to account for noise corrupted data, different levels of signal to noise ratio - varying from 30 to 0 dB - are introduced. In the identification procedure the following optimization methods were applied: Particle Swarm Optimization (PSO); Luus-Jaakola (LJ); Particle Collision Algorithm (PCA); Genetic Algorithms (GA); and Simmulated Annealing (SA): and the hybridization of these methods with the deterministic Levenberg-Marquardt method. It is shown that the damage identification procedure built on the acoustic wave propagation approach was successful, even for highly corrupted noisy data. Test case results are presented and a few comments on the advantages of deterministic and stochastic methods and their combination are also reported.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No presente trabalho, um algoritmo algébrico sequencial é utilizado para descrever a propagação de ondas acústicas ao longo de uma barra e utilizado na identificação de danos. Esse algoritmo é validado com base nos conficientes de sensibilidade dos ecos correspondentes aos diferentes cenários de danos apresentados. Na formulação do problema de identificação de dano, o campo de impedância generalizada, que minimiza o funcional definido como a distância entre o eco calculado e o eco experimental sintético é procurado. Os tempos de percurso da resposta, obtidos a partir de experimentos numéricos, são utilizados para identificar a posição, intensidade e forma do dano. Para simular dados corrompidos, diferentes níveis de ruído - variando de 30 a 0 dB - são introduzidos. O processo de identificação foi avaliado com os seguintes métodos de otimização: Otimização por Enxame de Partículas (PSO); Luus-Jaakola (LJ); Algoritmo de Colisão de Partículas (PCA); Algoritmos Genéticos (GA) e Recozimento Simulado (SA); e a hibridização desses métodos com o método determinístico de Levenberg-Marquardt. É mostrado que o processo de identificação de dano construído sobre a abordagem de propagação de ondas acústicas foi bem sucedido, mesmo para dados ruidosos altamente corrompidos. Os resultados dos casos testes são apresentados e algumas observações sobre as vantagens dos métodos determinísticos e estocásticos e sua combinação também são relatados. / In the present work, a sequential algorithm is used for describing the acoustic wave propagation along a bar and applied for damage identification purposes. The algorithm is validated based on the sensitivity coefficients of the corresponding echoes to the adressed damage scenarios. In the formulation of the damage identification problem, the generalized impedance field, that minimizes the functional defined as the distance between the calculated echo and the synthetic experimental one is sought. Time history responses, obtained from pulse-echo experiments, are used to identify damage position, severity and shape. In oder to account for noise corrupted data, different levels of signal to noise ratio - varying from 30 to 0 dB - are introduced. In the identification procedure the following optimization methods were applied: Particle Swarm Optimization (PSO); Luus-Jaakola (LJ); Particle Collision Algorithm (PCA); Genetic Algorithms (GA); and Simmulated Annealing (SA): and the hybridization of these methods with the deterministic Levenberg-Marquardt method. It is shown that the damage identification procedure built on the acoustic wave propagation approach was successful, even for highly corrupted noisy data. Test case results are presented and a few comments on the advantages of deterministic and stochastic methods and their combination are also reported.