Esta dissertação, investiga o comportamento em fadiga da liga Ti-6Al-4V após o tratamento superficial denominado oxidação térmica, para aplicação em pinos fusíveis mecânicos. A oxidação térmica controlada do titânio e suas ligas apresenta propriedades interessantes na resistência à corrosão-desgaste, devido a sua alta estabilidade e dureza, contudo, há lacunas na literatura se esse benefício é recíproco nas propriedades da vida em fadiga. Corpos-de-prova foram tratados termicamente em atmosfera de ar ambiente e após foram submetidos a ensaios de rugosidade, metalografia, dureza, tração, fadiga e análise fractográfica. Os resultados obtidos em fadiga foram comparados com a mesma liga não oxidada, mostrando que as propriedades em fadiga não são recíprocas às propriedades de corrosão-desgaste da liga Ti- 6Al-4V, após o tratamento superficial de oxidação térmica. Enquanto para uma determinada condição de tratamento superficial, houve melhora de até 30x na resistência à corrosãodesgaste (redução de 97% na taxa de desgaste), nas propriedades mecânicas houve redução de 18% no limite de resistência à fadiga. / This dissertation investigates the fatigue behavior of thermally oxidized Ti-6Al-4V alloy, applied to break bolts. The controlled thermal oxidation of titanium and its alloys presents interesting properties in fretting-corrosion resistance, especially to the high stability and hardness. However, there are gaps in the literature regarding the effect of this oxide layer on fatigue properties. Thermally Oxidized specimens were tested for roughness, metallography, hardness, tensile strength, fatigue and fractographic analysis. The results were compared with the fatigue results of the same alloy when untreated, showing that the fatigue properties and the fretting-corrosion properties of thermally oxidized Ti-6Al-4V are not reciprocal. While with a given condition for the thermal oxidation, an improvement up to 30x occurred on fretting-corrosion resistance (97% reduction in the rate of wear), the endurance decreased 18%.

Esta dissertação, investiga o comportamento em fadiga da liga Ti-6Al-4V após o tratamento superficial denominado oxidação térmica, para aplicação em pinos fusíveis mecânicos. A oxidação térmica controlada do titânio e suas ligas apresenta propriedades interessantes na resistência à corrosão-desgaste, devido a sua alta estabilidade e dureza, contudo, há lacunas na literatura se esse benefício é recíproco nas propriedades da vida em fadiga. Corpos-de-prova foram tratados termicamente em atmosfera de ar ambiente e após foram submetidos a ensaios de rugosidade, metalografia, dureza, tração, fadiga e análise fractográfica. Os resultados obtidos em fadiga foram comparados com a mesma liga não oxidada, mostrando que as propriedades em fadiga não são recíprocas às propriedades de corrosão-desgaste da liga Ti- 6Al-4V, após o tratamento superficial de oxidação térmica. Enquanto para uma determinada condição de tratamento superficial, houve melhora de até 30x na resistência à corrosãodesgaste (redução de 97% na taxa de desgaste), nas propriedades mecânicas houve redução de 18% no limite de resistência à fadiga. / This dissertation investigates the fatigue behavior of thermally oxidized Ti-6Al-4V alloy, applied to break bolts. The controlled thermal oxidation of titanium and its alloys presents interesting properties in fretting-corrosion resistance, especially to the high stability and hardness. However, there are gaps in the literature regarding the effect of this oxide layer on fatigue properties. Thermally Oxidized specimens were tested for roughness, metallography, hardness, tensile strength, fatigue and fractographic analysis. The results were compared with the fatigue results of the same alloy when untreated, showing that the fatigue properties and the fretting-corrosion properties of thermally oxidized Ti-6Al-4V are not reciprocal. While with a given condition for the thermal oxidation, an improvement up to 30x occurred on fretting-corrosion resistance (97% reduction in the rate of wear), the endurance decreased 18%.

Esta dissertação, investiga o comportamento em fadiga da liga Ti-6Al-4V após o tratamento superficial denominado oxidação térmica, para aplicação em pinos fusíveis mecânicos. A oxidação térmica controlada do titânio e suas ligas apresenta propriedades interessantes na resistência à corrosão-desgaste, devido a sua alta estabilidade e dureza, contudo, há lacunas na literatura se esse benefício é recíproco nas propriedades da vida em fadiga. Corpos-de-prova foram tratados termicamente em atmosfera de ar ambiente e após foram submetidos a ensaios de rugosidade, metalografia, dureza, tração, fadiga e análise fractográfica. Os resultados obtidos em fadiga foram comparados com a mesma liga não oxidada, mostrando que as propriedades em fadiga não são recíprocas às propriedades de corrosão-desgaste da liga Ti- 6Al-4V, após o tratamento superficial de oxidação térmica. Enquanto para uma determinada condição de tratamento superficial, houve melhora de até 30x na resistência à corrosãodesgaste (redução de 97% na taxa de desgaste), nas propriedades mecânicas houve redução de 18% no limite de resistência à fadiga. / This dissertation investigates the fatigue behavior of thermally oxidized Ti-6Al-4V alloy, applied to break bolts. The controlled thermal oxidation of titanium and its alloys presents interesting properties in fretting-corrosion resistance, especially to the high stability and hardness. However, there are gaps in the literature regarding the effect of this oxide layer on fatigue properties. Thermally Oxidized specimens were tested for roughness, metallography, hardness, tensile strength, fatigue and fractographic analysis. The results were compared with the fatigue results of the same alloy when untreated, showing that the fatigue properties and the fretting-corrosion properties of thermally oxidized Ti-6Al-4V are not reciprocal. While with a given condition for the thermal oxidation, an improvement up to 30x occurred on fretting-corrosion resistance (97% reduction in the rate of wear), the endurance decreased 18%.

The thermal oxidation of titanium alloys is a technique studied to improve the tribological performance, despite its evidences of loss of performance in fatigue. Thermal oxidation treatment of Ti-6Al-4V alloy was performed in air at 600 °C for 2, 5 and 10 h. The fatigue behavior were evaluated and compared with those of the untreated one. The characterization was performed through optical and electronic microscopy, x-ray diffraction, microhardness and roughness measurements. The results of the XRD showed a growth of the rutile peaks when increasing the treatment time from 2 to 10 h. Microhardness and roughness were also elevated by increasing treatment time up to 10 h. There was an increase in mean thickness from 0.12 μm to 1.09 μm, increasing the treatment duration from 2 to 5 h. The results indicated a reduction in the fatigue limit of samples subjected to oxidation. The results indicated a reduction of 35% for oxidized samples for 2 h, 27% for oxidized samples for 5 h and 29% for samples treated for 10 h, in relation to the test with untreated specimens. The detrimental effect caused by the layer formed after oxidation for 2 h was as damaging as that caused by the layer formed after 10 h, even if presented with a higher thickness. The morphology found in the fractured samples indicated embrittlement on the surface of the oxidized samples, contributing to the nucleation of initial cracks in the layer that favored the propagation of fatigue, independent of the layer thickness. / A oxidação térmica de ligas de titânio é uma técnica estudada para melhorar o desempenho tribológico, apesar das evidências de perda de desempenho em fadiga. O tratamento de oxidação térmica da liga Ti-6Al-4V foi realizado ao ar a 600 °C durante 2, 5 e 10 h. O comportamento à fadiga foi analisado e comparado com a condição não tratada. Foi feita caracterização através de análise por microscopia ótica e eletrônica, difração de raios-x, microdureza e medição da rugosidade. Os resultados do DRX demonstraram crescimento dos picos de rutilo ao elevar o tempo de tratamento até 10 h. Observou-se, também, elevação da microdureza e da rugosidade ao elevar o tempo de tratamento até 10 h. Verificou-se um aumento na espessura média da camada formada de 0,12 μm para 1,09 μm ao elevar a duração do tratamento de 2 para 10 h. Os resultados apontaram redução de resistência a fadiga de 35 % para amostras oxidadas durante 2 h, 27 % para amostras oxidadas por 5 h e 29 % para as amostras tratadas durante 10 h, em relação ao ensaio com corpos de prova não submetidos ao tratamento. O efeito prejudicial causado pela camada formada após oxidação de 2 h foi tão danoso quanto o causado pela camada formada após 10 h, apesar da diferença entre as espessuras da camada. A morfologia encontrada nas amostras fraturadas indicou fragilização na superfície das amostras oxidadas, contribuindo para a nucleação de trincas iniciais na camada que favoreceram a propagação de fadiga, independendo da espessura de camada. / São Cristóvão, SE

Incineração pode ser considerado um método terminal para a disposição de resíduos. Apesar de toda vantagem que possa apresentar, a oposição a este tipo de tratamento tem sido frequentemente renovada em função de traços de dioxinas cloradas, furanos clorados e outros compostos detectados nos efluentes gasosos de incineradores de resíduos. A eficiência de Incineradores é medida pela remoção e destruição de compostos e pela emissão de produtos de combustão incompleta -PCI (ex. Dioxinas, Furanos, etc). Neste trabalho propomos a utilização do reagente de Fenton como sistema de oxidação auxiliar em um incinerador com forno de camara rotativa. O objetivo deste trabalho foi aumentar a Eficiência de Destruição e Remoção de compostos e diminuir a emissão de PCIs. A reação de Fenton é dada pela equação [1]. Fe2+ + H2O2 ←→ Fe3+ + *OH + OH- [1] Em condições ácidas o radical hidroxila apresenta potencial de oxidação Eo = 2,33 v. No processo oxidativo de Fenton normalmente 40 a 60 % do carbono é convertido a CO2 , dependendo da quantidade de Fe2+, peróxido e da temperatura da solução. Durante os testes foram efetuados 12 coletas dos efluentes gasosos, 6 com a utilização do reagente de Fenton e 6 sem o seu uso. Houve redução em 79 % da Taxa de emissão de compostos orgânicos e 97 % na redução da taxa de emissão de Dioxinas e Furanos (PCIs). 12 amostras de efluentes líquidos industriais contendo solventes também foram tratadas a temperatura ambiente com reagente de Fenton. Os resultados obtidos mostraram redução de 100 % a 47 % na concentração dos solventes. / Incineration can be considerate a terminal method for residue disposition. Beside the advantage that it could show the oposition to this kind of treatment has been frequently renovated based on chlorinated dioxines, chlorinated furanes traces and others detectable compounds that apear on the waste gases from incinerators. The efficience of incinerators is measered by the destruction and remotion of feed in compounds (DRE - Destruction and Remotion Efficiency) and emission of products formed by incomplete combustion (ICP), e.g. Dioxinas, Furanos etc. In this work we propose the use of Fenton\'s reagent as an auxiliar oxidation system in a rotatory kiln incinerator. The aim was increase the efficience of destruction and remotion (DRE) and decrease ICP emission. Fenton\'s reaction can be defined in the equation [1]. Fe2+ + H2O2 ←→ Fe3+ + *OH + OH- [1] On acidic conditions the hydroxyl radical show oxidation potential Eo = 2,33 v. On the Fenton\'s oxidative process normaly 40 to 60 % of the carbon is converted to CO2 , depending on Fe2+ and peroxide concentration and solution\'s temperature. During the experimental step 12 samples from waste gases were taken, 6 of them using Fenton\'s treatment and other 6 without auxiliary oxidation. There were a reduction of 79 % on the emission of organic compounds and a reduction of 97 % on the emission of Polychlorinated Dioxines e Furanes (ICPs). 12 samples of industrial waste water were also treated with Fenton\'s reagent at room temperature. The results showed solvent concentration reduction from 100 % to 47 %.

Incineração pode ser considerado um método terminal para a disposição de resíduos. Apesar de toda vantagem que possa apresentar, a oposição a este tipo de tratamento tem sido frequentemente renovada em função de traços de dioxinas cloradas, furanos clorados e outros compostos detectados nos efluentes gasosos de incineradores de resíduos. A eficiência de Incineradores é medida pela remoção e destruição de compostos e pela emissão de produtos de combustão incompleta -PCI (ex. Dioxinas, Furanos, etc). Neste trabalho propomos a utilização do reagente de Fenton como sistema de oxidação auxiliar em um incinerador com forno de camara rotativa. O objetivo deste trabalho foi aumentar a Eficiência de Destruição e Remoção de compostos e diminuir a emissão de PCIs. A reação de Fenton é dada pela equação [1]. Fe2+ + H2O2 ←→ Fe3+ + *OH + OH- [1] Em condições ácidas o radical hidroxila apresenta potencial de oxidação Eo = 2,33 v. No processo oxidativo de Fenton normalmente 40 a 60 % do carbono é convertido a CO2 , dependendo da quantidade de Fe2+, peróxido e da temperatura da solução. Durante os testes foram efetuados 12 coletas dos efluentes gasosos, 6 com a utilização do reagente de Fenton e 6 sem o seu uso. Houve redução em 79 % da Taxa de emissão de compostos orgânicos e 97 % na redução da taxa de emissão de Dioxinas e Furanos (PCIs). 12 amostras de efluentes líquidos industriais contendo solventes também foram tratadas a temperatura ambiente com reagente de Fenton. Os resultados obtidos mostraram redução de 100 % a 47 % na concentração dos solventes. / Incineration can be considerate a terminal method for residue disposition. Beside the advantage that it could show the oposition to this kind of treatment has been frequently renovated based on chlorinated dioxines, chlorinated furanes traces and others detectable compounds that apear on the waste gases from incinerators. The efficience of incinerators is measered by the destruction and remotion of feed in compounds (DRE - Destruction and Remotion Efficiency) and emission of products formed by incomplete combustion (ICP), e.g. Dioxinas, Furanos etc. In this work we propose the use of Fenton\'s reagent as an auxiliar oxidation system in a rotatory kiln incinerator. The aim was increase the efficience of destruction and remotion (DRE) and decrease ICP emission. Fenton\'s reaction can be defined in the equation [1]. Fe2+ + H2O2 ←→ Fe3+ + *OH + OH- [1] On acidic conditions the hydroxyl radical show oxidation potential Eo = 2,33 v. On the Fenton\'s oxidative process normaly 40 to 60 % of the carbon is converted to CO2 , depending on Fe2+ and peroxide concentration and solution\'s temperature. During the experimental step 12 samples from waste gases were taken, 6 of them using Fenton\'s treatment and other 6 without auxiliary oxidation. There were a reduction of 79 % on the emission of organic compounds and a reduction of 97 % on the emission of Polychlorinated Dioxines e Furanes (ICPs). 12 samples of industrial waste water were also treated with Fenton\'s reagent at room temperature. The results showed solvent concentration reduction from 100 % to 47 %.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta frequência e/ou alta temperatura. Além disso, é possível crescer termicamente um filme de dióxido de silício (SiO2) sobre o SiC de maneira análoga ao silício. Porém, esses filmes apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no caso do SiO2/Si, o que limita a qualidade dos dispositivos formados. Assim, compreender a origem da degradação elétrica e desenvolver métodos para passivar os defeitos na região interfacial SiO2/SiC são importantes passos para o desenvolvimento da tecnologia do SiC. Buscando uma melhor compreensão da natureza dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC, a interação de estruturas SiO2/SiC com vapor d’água enriquecido isotopicamente (D2 18O) e a interação com monóxido de carbono (CO), um dos subprodutos da oxidação térmica do SiC, foram investigadas. Observou-se que a interação com CO gera cargas positivas na estrutura e que a incorporação de deutério proveniente da água é fortemente dependente da rota de formação do filme de SiO2. Sabendo que a incorporação de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC são eficientes métodos para reduzir o número de defeitos eletricamente ativos nessa região, investigou-se a incorporação de nitrogênio em estruturas de SiC através de tratamentos térmicos em amônia enriquecida isotopicamente (15NH3) e desenvolveu-se um novo método de incorporação de fósforo, fazendo sua deposição por pulverização catódica (sputtering) Os métodos de incorporação propostos resultaram em maiores quantidades de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC do que os encontrados na literatura, tornando-os promissores candidatos na passivação elétrica do SiC. Além da caracterização físico-química utilizando diferentes técnicas, também foi feita a caracterização elétrica de capacitores Metal-Óxido-Semicondutor (MOS) testando filmes de SiO2 obtidos por sputtering ou por crescimento térmico. Adicionalmente, desenvolveu-se uma rota de síntese de padrões de 18O mais estáveis ao longo do tempo para serem utilizados em análises por reação nuclear. Também foi proposta uma metodologia de quantificação de fósforo via análise por reação nuclear. Dos resultados obtidos neste doutorado, uma melhor compreensão da natureza e da origem dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC foi alcançada. Também obteve-se uma melhor compreensão de como os elementos passivadores nitrogênio e fósforo interagem nessa região. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that require high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si. However, these films present higher density of electrical defects in the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si interface, which limits the quality of the fabricated devices. Thus, it is important to understand the origin of the electrical degradation and to develop methods to passivate the defects in the SiO2/SiC interfacial region in order to develop the SiC technology. Aiming at a better understanding of the nature of defects at the SiO2/SiC interfacial region, the interaction of SiO2/SiC structures with water vapor isotopically enriched (D2 18O) and the interaction with carbon monoxide (CO), one of the SiC thermal oxidation by-products, were investigated. It was observed that the interaction with CO generates positive charges in the structure and that the deuterium incorporation from the water vapor is strongly dependent on the formation route of the SiO2 film. Knowing that nitrogen and phosphorous incorporation in the SiO2/SiC interfacial region are efficient methods to reduce the number of electrical defects in this region, the nitrogen incorporation in SiC structures by isotopically enriched ammonia (15NH3) annealings was investigated and a new method to incorporate phosphorous, by sputtering deposition was developed The proposed incorporation methods resulted in higher amounts of nitrogen and phosphorous then those found in literature, making them promising candidates to the electrical passivation of SiC. Besides the physico-chemical characterization using different techniques, the electrical characterization of Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitors was also performed, testing SiO2 films obtained by sputtering deposition or thermally grown. Additionally, a route to synthesize 18O standards for nuclear reaction analyses that are more stable over time was developed. Besides, a methodology to quantify phosphorous by nuclear reaction analysis was proposed. From the results obtained in this PhD thesis, a better understanding of the nature and the origin of defects present in the SiO2/SiC interfacial region was obtained, as well as a better understanding on how the passivating elements nitrogen and phosphorous interact in this region.

No presente trabalho, foram investigados os efeitos de tratamentos térmicos em vapor d’água, em óxido nítrico e em hidrogênio nas propriedades físico-químicas e elétricas de filmes dielétricos crescidos termicamente e/ou depositadas por sputtering sobre lâminas de carbeto de silício. A caracterização foi realizada antes e após tratamentos térmicos nesses ambientes através de técnicas que utilizam feixes de íons. Em alguns casos, a caracterização elétrica também foi realizada. A investigação da incorporação e distribuição em profundidade de hidrogênio e oxigênio após tratamentos de SiO2/SiC e SiO2/Si em vapor d’água mostrou que há diferenças marcantes na interação da água com as duas estruturas. Observou-se maior incorporação de oxigênio no filme pré-existente de SiO2 sobre o SiC do que em SiO2/Si, evidenciando uma maior concentração de defeitos nos filmes sobre SiC. A incorporação de hidrogênio também foi maior nas estruturas SiO2/SiC, sendo observada em todas as regiões do filme de SiO2 crescido sobre SiC. Nos filmes crescidos sobre Si, no entanto, a incorporação deuse, principalmente, na região da superfície do filme de óxido. A interação do vapor d’água com estruturas SiO2/SiC e SiO2/Si com filmes depositados por sputtering também foi investigada. Foi constatada uma incorporação distinta da observada para essas estruturas quando seus óxidos foram crescidos termicamente. A incorporação de hidrogênio do vapor d’água em estruturas com filmes de SiO2 depositados por sputtering sobre SiC e sobre Si ocorre, principalmente, na interface SiO2/substrato. A distribuição em profundidade de oxigênio após a exposição a vapor d'água a 800°C revelou que ele é incorporado em toda a espessura dos óxidos depositados sobre ambos os substratos, evidenciando a alta mobilidade dos átomos de oxigênio nesses filmes de óxido. O crescimento térmico antes da deposição de SiO2 sobre o SiC levou à incorporação de menores quantidades de hidrogênio, quando comparadas com as estruturas relativas a filmes apenas depositados. No entanto, à medida que o tempo de oxidação térmica foi aumentado, observou-se maior incorporação de hidrogênio, o que foi atribuído à formação de defeitos no filme de óxido susceptíveis à interação com o mesmo. O crescimento térmico por um tempo curto seguido pela deposição de SiO2 e o crescimento térmico não seguido de outro tratamento levaram a menores incorporações de D do que a deposição não seguida de outro tratamento, o que pode ser correlacionado com as melhores características elétricas observadas nessas estruturas. Outro tema abordado foi a incorporação de hidrogênio através de tratamento térmico em 2H2, com e sem a presença de um eletrodo de platina, em filmes dielétricos crescidos em atmosfera de O2, NO e via tratamento térmico sequencial nesses dois gases. Quando o crescimento térmico em O2 foi seguido de tratamento em NO, foi observada uma forte troca isotópica entre o oxigênio da fase gasosa e o oxigênio do filme de SiO2, evidenciando a alta mobilidade dos átomos de oxigênio nesses filmes. A incorporação de hidrogênio mostrou-se fortemente dependente da rota utilizada no crescimento do filme dielétrico. Sem a presença do eletrodo de platina, o crescimento do filme dielétrico direto em NO foi a rota que apresentou a maior incorporação de hidrogênio. A presença de platina, por sua vez, promoveu um aumento na incorporação de hidrogênio nos filmes dielétricos obtidos através das três rotas de crescimento. Em todos os casos, observou-se que a incorporação de hidrogênio ocorre, principalmente, na região da interface entre o filme dielétrico e o SiC. A incorporação de maiores quantidades de hidrogênio foi associada com a presença de N previamente incorporado. A atmosfera reativa utilizada no crescimento térmico dos filmes dielétricos também mostrou influência nas características elétricas das estruturas analisadas. A caracterização por curvas C-V mostrou um aumento no deslocamento da tensão de banda plana após tratamentos térmicos em 2H2, indicando o aumento e/ou formação de carga positiva. Por fim, a interação de vapor d'água em estruturas de SiO2/SiC e de SiO2/Si com filmes crescidos termicamente e tratadas em NO foi investigada. Observou-se que as estruturas SiO2/SiC que foram submetidas a tratamentos térmicos em NO apresentaram menor incorporação de hidrogênio, devido à exposição a vapor d'água. Esse efeito também foi observado em estruturas SiO2/SiC quando o pós-tratamento em NO foi substituído por um póstratamento em argônio na mesma temperatura e tempo, indicando que a temperatura de tratamento é a responsável pelas menores incorporações de hidrogênio, não a reatividade do gás empregado. / In the present work, effects of thermal treatments in water vapor, in nitric oxide, and in hydrogen in the physicochemical and in the electrical properties of dielectric films thermally grown and/or deposited by sputtering on silicon carbide were investigated. The characterization was performed using ion beam analyses before and after thermal treatments in these atmospheres. In some cases, the electrical characterization was also performed. The investigation of the incorporation and depth distribution of hydrogen and oxygen after annealing of SiO2/SiC and SiO2/Si in water vapor evidenced that there are striking differences regarding water interaction with these two structures. It was observed larger oxygen incorporation in the pre-existent SiO2 film on SiC than in the SiO2/Si, which evidences higher concentration of defects in oxide films on SiC. The incorporation of hydrogen was also larger in SiO2/SiC structures, being observed in all regions of the dielectric film. In oxide films grown on Si, however, the incorporation occurred mainly in the surface region of the oxide. The interaction of water vapor with SiO2/SiC and SiO2/Si structures, whose films were deposited by sputtering, was also investigated. A distinct incorporation was observed when comparing results from structures whose oxides were thermally grown. The incorporation of hydrogen from water vapor in structures in which SiO2 films were deposited by sputtering on SiC and on Si, occurred mainly in the SiO2/substrate interface. The oxygen depth distribution after exposure to water vapor at 800°C revealed that it was incorporated in all depths of the oxides that were deposited on both substrates, evidencing the high mobility of oxygen atoms in these oxide films. The thermal growth prior to SiO2 deposition on SiC led to the incorporation of smaller amounts of hydrogen, compared with structures with films that were only deposited. Nevertheless, as the thermal oxidation time increases, a larger incorporation of hydrogen was observed, which was attributed to the formation of defects in the oxide film that are more likely to interact with hydrogen. The thermal growth for short time followed by the deposition of SiO2 and the thermal growth not followed by any other treatment led to lower amounts of hydrogen, when compared with the deposition not followed by another treatment, which can be correlated with the improvement in the electrical characteristics observed in these structures. Another subject investigated was the incorporation of hydrogen by 2H2 anneal, with and without the presence of platinum, in dielectric films thermally grown in O2, NO, and in sequential thermal treatments in these two atmospheres. In the case of thermal growth in O2 followed by NO anneal, it was observed a notable isotopic exchange between oxygen from the gas phase and oxygen from the SiO2 film, evidencing that oxygen atoms are highly mobile in these films. The incorporation of hydrogen was showed to be highly dependent on the route employed in the dielectric film growth, being the direct growth of dielectric films in NO the one that presented larger incorporation without the presence of Pt electrode. The presence of this metal increases the incorporation of hydrogen in all dielectric films. In all cases, it was observed that the incorporation of hydrogen occurred mainly in the interface region between the dielectric film and the SiC. The incorporation of larger amounts of hydrogen was associated with the presence of N that was previously incorporated. The reactive atmosphere employed in the thermal growth of dielectric films also was observed to affect electrical characteristics in analyzed structures. The characterization by C-V measurements evidenced an increase in the flatband voltage shift after annealing in 2H2, indicating the increase and/or the formation of positive charge. Finally, the interaction of water vapor in SiO2/SiC and SiO2/Si structures with dielectric films thermally grown and annealed in NO was investigated. It was observed that SiO2/SiC structures that were submitted to NO anneal presented less hydrogen incorporation due to exposure to water vapor. This behavior was also observed in SiO2/SiC structures when the NO anneal was replaced by an annealing in Ar at the same temperature and time, indicating that the temperature of the annealing was responsible by the less incorporation of hydrogen instead of the reactivity of the gas employed.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta frequência e/ou alta temperatura. Além disso, é possível crescer termicamente um filme de dióxido de silício (SiO2) sobre o SiC de maneira análoga ao silício. Porém, esses filmes apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no caso do SiO2/Si, o que limita a qualidade dos dispositivos formados. Assim, compreender a origem da degradação elétrica e desenvolver métodos para passivar os defeitos na região interfacial SiO2/SiC são importantes passos para o desenvolvimento da tecnologia do SiC. Buscando uma melhor compreensão da natureza dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC, a interação de estruturas SiO2/SiC com vapor d’água enriquecido isotopicamente (D2 18O) e a interação com monóxido de carbono (CO), um dos subprodutos da oxidação térmica do SiC, foram investigadas. Observou-se que a interação com CO gera cargas positivas na estrutura e que a incorporação de deutério proveniente da água é fortemente dependente da rota de formação do filme de SiO2. Sabendo que a incorporação de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC são eficientes métodos para reduzir o número de defeitos eletricamente ativos nessa região, investigou-se a incorporação de nitrogênio em estruturas de SiC através de tratamentos térmicos em amônia enriquecida isotopicamente (15NH3) e desenvolveu-se um novo método de incorporação de fósforo, fazendo sua deposição por pulverização catódica (sputtering) Os métodos de incorporação propostos resultaram em maiores quantidades de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC do que os encontrados na literatura, tornando-os promissores candidatos na passivação elétrica do SiC. Além da caracterização físico-química utilizando diferentes técnicas, também foi feita a caracterização elétrica de capacitores Metal-Óxido-Semicondutor (MOS) testando filmes de SiO2 obtidos por sputtering ou por crescimento térmico. Adicionalmente, desenvolveu-se uma rota de síntese de padrões de 18O mais estáveis ao longo do tempo para serem utilizados em análises por reação nuclear. Também foi proposta uma metodologia de quantificação de fósforo via análise por reação nuclear. Dos resultados obtidos neste doutorado, uma melhor compreensão da natureza e da origem dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC foi alcançada. Também obteve-se uma melhor compreensão de como os elementos passivadores nitrogênio e fósforo interagem nessa região. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that require high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si. However, these films present higher density of electrical defects in the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si interface, which limits the quality of the fabricated devices. Thus, it is important to understand the origin of the electrical degradation and to develop methods to passivate the defects in the SiO2/SiC interfacial region in order to develop the SiC technology. Aiming at a better understanding of the nature of defects at the SiO2/SiC interfacial region, the interaction of SiO2/SiC structures with water vapor isotopically enriched (D2 18O) and the interaction with carbon monoxide (CO), one of the SiC thermal oxidation by-products, were investigated. It was observed that the interaction with CO generates positive charges in the structure and that the deuterium incorporation from the water vapor is strongly dependent on the formation route of the SiO2 film. Knowing that nitrogen and phosphorous incorporation in the SiO2/SiC interfacial region are efficient methods to reduce the number of electrical defects in this region, the nitrogen incorporation in SiC structures by isotopically enriched ammonia (15NH3) annealings was investigated and a new method to incorporate phosphorous, by sputtering deposition was developed The proposed incorporation methods resulted in higher amounts of nitrogen and phosphorous then those found in literature, making them promising candidates to the electrical passivation of SiC. Besides the physico-chemical characterization using different techniques, the electrical characterization of Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitors was also performed, testing SiO2 films obtained by sputtering deposition or thermally grown. Additionally, a route to synthesize 18O standards for nuclear reaction analyses that are more stable over time was developed. Besides, a methodology to quantify phosphorous by nuclear reaction analysis was proposed. From the results obtained in this PhD thesis, a better understanding of the nature and the origin of defects present in the SiO2/SiC interfacial region was obtained, as well as a better understanding on how the passivating elements nitrogen and phosphorous interact in this region.

O carbeto de silício (SiC) é um semicondutor com propriedades adequadas para substituir o silício em dispositivos eletrônicos em aplicações que exijam alta potência, alta frequência e/ou alta temperatura. Além disso, é possível crescer termicamente um filme de dióxido de silício (SiO2) sobre o SiC de maneira análoga ao silício. Porém, esses filmes apresentam maior densidade de defeitos eletricamente ativos na região interfacial SiO2/SiC que no caso do SiO2/Si, o que limita a qualidade dos dispositivos formados. Assim, compreender a origem da degradação elétrica e desenvolver métodos para passivar os defeitos na região interfacial SiO2/SiC são importantes passos para o desenvolvimento da tecnologia do SiC. Buscando uma melhor compreensão da natureza dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC, a interação de estruturas SiO2/SiC com vapor d’água enriquecido isotopicamente (D2 18O) e a interação com monóxido de carbono (CO), um dos subprodutos da oxidação térmica do SiC, foram investigadas. Observou-se que a interação com CO gera cargas positivas na estrutura e que a incorporação de deutério proveniente da água é fortemente dependente da rota de formação do filme de SiO2. Sabendo que a incorporação de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC são eficientes métodos para reduzir o número de defeitos eletricamente ativos nessa região, investigou-se a incorporação de nitrogênio em estruturas de SiC através de tratamentos térmicos em amônia enriquecida isotopicamente (15NH3) e desenvolveu-se um novo método de incorporação de fósforo, fazendo sua deposição por pulverização catódica (sputtering) Os métodos de incorporação propostos resultaram em maiores quantidades de nitrogênio e de fósforo na região interfacial SiO2/SiC do que os encontrados na literatura, tornando-os promissores candidatos na passivação elétrica do SiC. Além da caracterização físico-química utilizando diferentes técnicas, também foi feita a caracterização elétrica de capacitores Metal-Óxido-Semicondutor (MOS) testando filmes de SiO2 obtidos por sputtering ou por crescimento térmico. Adicionalmente, desenvolveu-se uma rota de síntese de padrões de 18O mais estáveis ao longo do tempo para serem utilizados em análises por reação nuclear. Também foi proposta uma metodologia de quantificação de fósforo via análise por reação nuclear. Dos resultados obtidos neste doutorado, uma melhor compreensão da natureza e da origem dos defeitos presentes na região interfacial SiO2/SiC foi alcançada. Também obteve-se uma melhor compreensão de como os elementos passivadores nitrogênio e fósforo interagem nessa região. / Silicon carbide (SiC) is a semiconductor with adequate properties to substitute silicon in electronic devices in applications that require high power, high frequency, and/or high temperature. Besides, a silicon dioxide (SiO2) film can be thermally grown on SiC in a similar way to that on Si. However, these films present higher density of electrical defects in the SiO2/SiC interfacial region when compared to the SiO2/Si interface, which limits the quality of the fabricated devices. Thus, it is important to understand the origin of the electrical degradation and to develop methods to passivate the defects in the SiO2/SiC interfacial region in order to develop the SiC technology. Aiming at a better understanding of the nature of defects at the SiO2/SiC interfacial region, the interaction of SiO2/SiC structures with water vapor isotopically enriched (D2 18O) and the interaction with carbon monoxide (CO), one of the SiC thermal oxidation by-products, were investigated. It was observed that the interaction with CO generates positive charges in the structure and that the deuterium incorporation from the water vapor is strongly dependent on the formation route of the SiO2 film. Knowing that nitrogen and phosphorous incorporation in the SiO2/SiC interfacial region are efficient methods to reduce the number of electrical defects in this region, the nitrogen incorporation in SiC structures by isotopically enriched ammonia (15NH3) annealings was investigated and a new method to incorporate phosphorous, by sputtering deposition was developed The proposed incorporation methods resulted in higher amounts of nitrogen and phosphorous then those found in literature, making them promising candidates to the electrical passivation of SiC. Besides the physico-chemical characterization using different techniques, the electrical characterization of Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitors was also performed, testing SiO2 films obtained by sputtering deposition or thermally grown. Additionally, a route to synthesize 18O standards for nuclear reaction analyses that are more stable over time was developed. Besides, a methodology to quantify phosphorous by nuclear reaction analysis was proposed. From the results obtained in this PhD thesis, a better understanding of the nature and the origin of defects present in the SiO2/SiC interfacial region was obtained, as well as a better understanding on how the passivating elements nitrogen and phosphorous interact in this region.