Os plasmas frios tem sido largamente utilizados em processosde corrosao e deposicao de materiais em diversas areas tecnologicas. O entendimento dos mecanismos fisico-quimicos determinantes desses processos e sempre procurado para melhorar a qualidade e eficiencia dos mesmos. Esses mecanismos sao fortemente dependentes das propriedades dos plasmas utilizados, sendo portanto, sempre necessario proceder-se uma caracterizacao das propriedades macroscopicas e microscopicas com vistas a oferecer uma descricao mais clara do processo de interacao do plasma com a superficie material sob processo. Neste trabalho uma camara dupla foi especialmente construida para formacao simultanea de dois plasmas. Em uma delas - em pirex - foi produzido um plasma excitado por acoplamento indutivo de radio fraquencia (plasma fonte) de maneira a operar tanto no modo E quanto no modo H. Este plasma difunde-se para o interior de uma segunda camara, metalica, a qual possui imas permanentes distribuidos na superficie, dando origem a um plasma quiescente sob confinamento multidipolo magnetico (plasma alvo). Estudaremos os parametros basicos destes plasmas, como exemplo, potencial de plasma, temperatura e densidade de eletrons. O comportamento destes parametros com a pressao de trabalho, posicao da sonda no interior da camara e potencia eletrica sera investigado e interpretacoes serao apresentadas com base nos mecanismos de descarga RF. Tais parametros serao determinados atraves da tecnica de sonda de Langmuir autocompensada.Atraves de valores experimentaisdas variaveis eletricas da bobina de inducao (tensao, corrente e defasagem entre as mesmas) foi possivel determinar os parametros eletromagneticos (campo eletrico, campo magnetico, densidade de corrente, densidade de potencia e condutividade) da descarga utilizando-se o metodo sugerido por J.W. Denneman. Neste modelo a descarga e considerada um transformador cujo primario e a bobina de inducao (5 voltas) da descarga, e o secundario e o plasma produzido,o qual e equivalente a uma bobina de apenas uma volta. Posteriormente, foi feita uma analise espectral do plasma atraves de uma sonda magnetica (bobina de Rogowski).

Descargas de catodo oco (DCO) são capazes de gerar plasmas densos e são empregadas para o desenvolvimento de reatores a plasma em baixa pressão, com taxas elevadas de produção de partículas reativas e alta eficiência de processamento de materiais. A característica geométrica de uma DCO promove oscilações de elétrons de alta energia dentro do catodo, intensificando a ionização, o bombardeio de íons nas paredes internas e outros processos subseqüentes. O objetivo do presente estudo foi investigar sobre as características principais de uma descarga de catodo oco em corrente contínua a fim avaliar sua capacidade de gerar compostos no volume de plasma, pela reação entre as espécies pulverizadas do catodo e os radicais formados na descarga. A DCO foi operada com os gases argônio, nitrogênio e oxigênio em pressões variando na faixa de (9 - 50) Pa e fluxo na faixa de (1 - 100) sccm. A tensão de operação da descarga variou entre (300 - 900) V que corresponde à corrente de descarga entre (10 - 1000) mA. Uma bobina de Helmholtz foi empregada para produzir um campo magnético de baixa intensidade e uniforme ao longo do eixo da descarga variando entre (0 - 10)10-3 T. Os efeitos destes parâmetros, configurações do eletrodo e materiais do catodo (Al, C, Ti), foram investigados nos modos de descarga escura e descarga luminescente a fim de melhorar a eficiência de ionização da descarga e conseqüentemente, produzir plasmas com alta reatividade para a formação de determinados compostos. Os parâmetros do plasma foram inferidos da característica corrente-tensão de uma sonda cilíndrica simples (sonda de Langmuir) posicionada entre os catodos considerando a influência da distância inter-catódica e do campo magnético. Os valores obtidos para a densidade e temperatura de elétrons estão entre (1016 - 1017) m-3 e (2 - 5) eV, respectivamente. Com a técnica de espectrometria de massa algumas espécies na fase gasosa do plasma foram monitoradas para várias condições de operação da descarga. Esta análise de massa complementada com as medidas de sonda fornece uma orientação para otimização da geração dos compostos na descarga e conseqüentemente, para a deposição de filmes finos destes compostos. Interesse especial foi focado na formação de carbono (C), nitreto de alumínio (AlN), dióxido de titânio (TiO2), óxido de titânio (TiO) e nitreto de titânio (TiN) na descarga.

Neste trabalho foram desenvolvidos estudos sobre um jato de plasma com o objetivo de aperfeiçoar seu emprego para corrosão (plasma etching) de materiais eletrônicos. Foi investigado um novo tipo de reator, recentemente desenvolvido, no qual um jato de plasma é gerado em alto vácuo a fim de proceder à corrosão dos materiais. Com o intuito de determinar as condições características de corrosão adequadas a processos de microeletrônica, foram realizados diversos experimentos a fim de avaliar a influência dos parâmetros de controle tais como corrente elétrica da descarga, tensão aplicada, pressão de operação, e influência de campo magnético. Os materiais utilizados, especificamente, filmes de Carbono tipo Diamante são fabricados por técnicas de deposição por sputtering. As taxas de corrosão em função dos parâmetros de controle constituíram o conjunto de condições de operação avaliadas no sentido de se caracterizar a nova técnica de corrosão por plasma para processos de microeletrônica. Os resultados indicam que o processo em alto vácuo na presença de campos magnéticos moderados oferecem algumas vantagens potenciais em relação a outras técnicas de processamento por plasma utilizadas na microeletrônica. A corrosão em ambiente de baixa pressão reduz a presença de impurezas sendo que a direcionalidade do jato de plasma favorece a anisotropia da corrosão.

Descargas de arco deslizante geram plasmas em pressão atmosférica que podem operar em três regimes diferentes: térmico, não-térmico ou transitório. No regime transitório a descarga inicialmente forma um arco térmico que durante sua evolução sofre uma transição para o regime não-térmico. Esta transição permite obter alta densidade eletrônica e seletividade química, tornando este tipo de descarga interessante para aplicações em processos químicos em fase gasosa a pressão atmosférica. No presente trabalho é realizada a caracterização de um sistema gerador de descargas de arco deslizante em vórtice com o objetivo de compreender melhor os fenômenos básicos deste tipo de reator, em especial, a influência que o fluxo de gás exerce sobre os parâmetros elétricos e o efeito da vazão e da corrente nos processos químicos ocorridos no meio reativo. A caracterização foi feita utilizando ar atmosférico, gás natural e mistura de ambos os gases. As análises foram feitas através de medidas elétricas, espectroscopia óptica e espectrometria de massas. Os experimentos com ar foram realizados variando a vazão mássica entre 0,6 e 3,6 g/s e a corrente da descarga de 76 a 583 mA e, para gás natural, na faixa de 0,4 a 0,7 g/s e 80 a 992 mA. Os experimentos com mistura de gases foram realizados com vazão total de 2,0 g/s variando a razão de equivalência de 0,9 a 11,3 com correntes entre 50 e 392 mA e com vazão total de 1,0 g/s com razão de equivalência fixa em 1,9, variando a corrente de 100 mA a 960 mA. Os resultados mostram que a tensão de ruptura cresce fortemente com o aumento da vazão de gás, ao mesmo tempo em que há um pequeno decréscimo da corrente. A freqüência da descarga, por sua vez, é função tanto da tensão de ruptura quanto da vazão. Observa-se que a reatividade do meio cresce com o aumento da corrente, elevando a produção de NO na descarga em ar e a conversão de gás natural nos experimentos com gás natural puro e com mistura de gases. A redução da vazão total pela metade nos experimentos com mistura dobra a conversão de gás natural, mostrando a importância do tempo de residência no processo.

Neste trabalho propomos um novo método para determinar a temperatura rotacional a partir de um espectro ro-vibracional quando uma única distribuição de Boltzmann é insuficiente. Esta temperatura é uma estimativa da temperatura do gás e, este parâmetro está relacionado às taxas de reações físico-químicas que ocorrem no plasma. Nosso procedimento é baseado em uma forma de estatística conceitualmente bem estabelecida que foi desenvolvida por C. Tsallis. Estudamos o Primeiro Sistema Negativo da molécula de nitrogênio e o Segundo Sistema Positivo de seu íon molecular ( que ocorrem em plasmas frios. Nossos resultados indicam que uma única distribuição de equilíbrio de Tsallis é capaz de descrever a ocupação dos níveis rotacionais dos sistemas estudados, mesmo quando classicamente são necessárias mais de uma distribuição de equilíbrio de Boltzmann. Nossos resultados mostram que a temperatura obtida por esta nova abordagem (TS) coincide com aquela escolhida como estimativa da temperatura rotacional através do método de combinação linear de distribuições de Boltzmann. Numericamente, reduzimos o número de parâmetros livres para: a temperatura do sistema TS e o parâmetro entrópico q. Conceitualmente atribuímos apenas uma temperatura aos sistemas estudados. Esta nova forma de interpretar a ocupação dos níveis rotacionais, baseada na estatística não extensiva de Tsallis, pode ser usada em outros tipos de moléculas, o que facilitaria a estimativa da temperatura em outros tipos de plasmas frios moleculares.

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

A aplicação de materiais poliméricos na indústria aeroespacial tem destacada relevância, principalmente as borrachas altamente carregadas que podem ser usadas como proteções térmicas de câmaras propulsoras de mísseis e foguetes a propelente sólido. Entretanto, um desafio tecnológico para sua aplicação que ainda persiste, é a adesão satisfatória entre a borracha e os materiais poliméricos usados como adesivos (liner de poliuretano) ou propelentes sólidos (combustíveis de foguetes). A escolha da borracha vulcanizada a base de etileno-propileno-dieno monômero (EPDM) se deve à capacidade de incorporar elevada quantidade de cargas ablativas associadas a boas propriedades mecânicas e de processamento, além de queimar liberando produtos de natureza atóxica, o que viabiliza sua aplicação em sistemas bélicos e espaciais. Por outro lado, sua natureza apolar não permite obter bom nível de adesão entre ao liner ou ao propelente sólido, ambos a base de poliuretano (PU). A fim de resolver esse problema, o tratamento por plasma frio é considerado um processo muito atrativo para melhorar esta adesão, por ser um processo rápido de ativação da superfície, eficiente e ecologicamente sustentável. Neste trabalho, o processo de ativação da superfície do EPDM é realizado em um reator tipo RIE (reactive íon etching) operando a 13,56 MHz com gás de N2, Ar e misturas N2/Ar e N2/H2/Ar, em diferentes condições de pressão, potência de RF (rádio frequência), tempo de exposição, fluxo e composição da entrada de gás (proporção entre N2 e Ar e proporção entre N2, H2 e Ar). Para investigar a influência dos parâmetros na modificação da superfície da borracha, as amostras foram analisadas por técnicas de Goniometria, Microscopia de Força Atômica (AFM), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia Foto-eletrônica de Raios-x (XPS), Teste de Tração Normal, Análises Térmicas e Análise das Propriedades Mecânicas. Os resultados mostram que o processo assistido à plasma favorece a formação de novos grupos funcionais polares que aumentam a energia e diminuir a rugosidade da superfície, realçando as características adesivas da borracha. Conclui-se que o tratamento da borracha vulcanizada EPDM com plasma de N2/Ar e N2/H2/Ar tende a ser um processo promissor e alternativo no tratamento de superfícies para ampliação da adesividade deste material e substituição da borracha nitrílica vulcanizada (NBR) em consideradas aplicações. Esse efeito é produzido como resultado de múltiplas ações superficiais que o plasma produz (homogeneização e diminuição da rugosidade, ativação superficial e limpeza de superfície).