Kaletra® (lopinavir e ritonavir) é uma combinação fixa de dois inibidores da protease do vírus da imunodeficiência humana (VIH) indicada para o tratamento da infecção pelo VIH em associação com outros anti-retrovirais. Esta classe de fármacos inibe a protease do VIH evitando a clivagem da poliproteina gag-pol, levando à produção de vírus imaturos, incapazes de infectar outras células. Este trabalho teve como objetivo estabelecer o perfil de dissolução in vitro baseado nos dados in vivo, avaliar a estabilidade térmica do lopinavir e do ritonavir cápsulas, determinar a cinética de reação, isolar e identificar os principais produtos de degradação do ritonavir. Método por CLAE indicativo de estabilidade foi desenvolvido e validado para a quantificação do lopinavir e do ritonavir cápsulas. Método alternativo por espectrometria derivada também foi desenvolvido. Os resultados demonstraram uma correlação nível A entre o perfil de dissolução in vitro e a absorção in vivo nas condições propostas. O método por CLAE para a quantificação desta associação demonstrou ser específico, linear exato, preciso e robusto. O teste t demonstrou que houve diferença significativa entre o método CLAE e UV derivada. Os estudos de estabilidade térmica demonstraram que o lopinavir foi estável nas condições testadas enquanto que o ritonavir foi sensível ao calor, seguindo uma cinética de degradação de primeira ordem. De acordo com os resultados da RMN os principais produtos de degradação do ritonavir são os compostos de fórmula molecular C33H45N5O5S e C25H33N3O6. / Kaletra® (lopinavir and ritonavir) is a combination of two human immunodeficiency virus (HIV) protease inhibitors indicated as part of a multi drug therapy along with other antiretroviral agents. This class of drugs inhibits the HIV protease preventing cleavage of the gag-pol polyprotein, reducing the probability of viral particles reaching a mature, infectious state. The objective of this work was: to establish the in vitro dissolution profile based on in vivo data; to determine their thermal stability in the dosage form; to determine their kinetics of degradation and to isolate and identify their major products of degradation. A stability indicating method was developed and validated for simultaneous quantitation of both drugs in Kaletra®, using liquid chromatography. An alternative method using UV-derivative spectrometry was also proposed. The result showed a level A correlation between the in vitro dissolution profile and in vivo absorption under the proposed conditions. The LC method was fully validated and have shown to be stability indicating. The UV-derivative method showed not to be equivalent (t-test) to the LC method. Thermal stability studies have shown that lopinavir was very stable under the conditions tested while ritonavir was sensitive to heat, following a first order degradation kinetic. According to NMR results ritonavir the main degradation products have the molecular formula C33H45N5O5S and C25H33N3O6.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2017-05-16T13:12:17Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação - Tiago Lopes de Araújo - VERSÃO FINAL.pdf: 5049016 bytes, checksum: 19afff51e97123d7092ffd5fd7abcdca (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-16T13:12:17Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação - Tiago Lopes de Araújo - VERSÃO FINAL.pdf: 5049016 bytes, checksum: 19afff51e97123d7092ffd5fd7abcdca (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / CNPQ / O poli(cloreto de vinila) (PVC) é empregado na fabricação de embalagens para alimentos e alguns produtos para saúde. Em geral, esses produtos precisam ser esterilizados antes de serem consumidos. Um dos métodos utilizados para esse fim é a irradiação gama. Todavia, esse tipo de radiação ionizante promove alterações na estrutura das cadeias poliméricas, afetando as propriedades do PVC em maior ou menor grau. Dessa forma, é necessário adicionar determinadas substâncias à resina para estabilizar o material contra a irradiação. O objetivo deste trabalho foi investigar o efeito da radiação gama em filmes de PVC e filmes de PVC contendo 1, 3 e 5 % (m/m) de pentóxido de nióbio (Nb2O5), que é um composto inerte, atóxico e biocompatível. Os filmes foram preparados pela técnica de solution casting, utilizando tetraidrofurano como solvente, e os corpos de prova foram irradiados nas doses de 25 e 50 kGy em temperatura ambiente. Foram utilizadas uma resina de PVC comercial obtida pelo processo de polimerização em suspensão, com massa molar média viscosimétrica igual a 201 kg/mol, e uma amostra de Nb2O5 cujas partículas apresentavam formato irregular, diâmetro volumétrico médio igual a 77 µm e estrutura cristalina monoclínica. Os efeitos da radiação gama e/ou do óxido na matriz polimérica foram avaliados através de viscosimetria de soluções diluídas, colorimetria, ensaio mecânico de tração, análise termogravimétrica (TGA) e espectroscopia no infravermelho médio por transformada de Fourier (FT-MIR). Os resultados da viscosimetria de soluções diluídas mostraram que o percentual de 5 % (m/m) de Nb2O5 conferiu proteção radiolítica ao polímero, diminuindo os eventos de cisão das cadeias principais em relação à matriz de PVC. De acordo com os ensaios colorimétricos, os filmes se tornaram mais escuros e mais amarelados, tanto em função do aumento do percentual de óxido quanto do aumento da dose de radiação. Para o mesmo material, a exposição à radiação gama não causou mudanças significativas nas propriedades mecânicas avaliadas pelo ensaio mecânico de tração (tensão na força máxima, módulo de Young e alongamento percentual na força máxima). Por outro lado, a presença do Nb2O5 nos sistemas contribuiu para diminuir o valor dessas propriedades. Os resultados da TGA mostraram que a radiação gama reduziu a estabilidade térmica dos materiais preparados, enquanto que o óxido não a alterou significativamente. A exposição dos filmes à radiação gama contribuiu para reduzir a energia de ativação do processo de desidrocloração e aumentar a energia de ativação do processo de quebra das sequências de polienos, embora o óxido não tenha catalisado nenhum dos dois processos. Algumas modificações químicas provocadas pela irradiação dos filmes foram detectadas pela espectroscopia FT-MIR, empregando a reflectância total atenuada para a aquisição dos espectros. Também foi constatado que o Nb2O5 não apresentou atividade antibacteriana frente à Escherichia coli, avaliada pelo ensaio de macrodiluição em caldo com agitação. / Poly(vinyl chloride) (PVC) is used in the manufacture of food packaging and some health products. In general, these products need to be sterilized before being consumed. One method for this purpose is gamma irradiation. However, this type of ionizing radiation promotes changes in the structure of polymeric chains affecting PVC properties a greater or lesser extent. Thus, it is necessary to add certain substances to the resin to stabilize the material against the irradiation. The objective of this study was to investigate the effect of gamma radiation on PVC films and PVC films containing 1, 3 and 5 wt% of niobium pentoxide (Nb2O5), which is an inert, non-toxic and biocompatible compound. The films were prepared by solution casting technique using tetrahydrofuran as a solvent and the proof bodies was irradiated at doses of 25 and 50 kGy at room temperature. A commercial PVC resin obtained by suspension polymerization process with viscosimetric average molar mass equal to 201 kg/mol and a Nb2O5 sample whose particles had irregular shape, volume mean diameter of 77 μm and a monoclinic crystalline structure have been used. The effects of gamma radiation and/or oxide in polymer matrix were evaluated using dilute solution viscometry, colorimetry, mechanical tensile test, thermogravimetric analysis (TGA) and Fourier transform middle infrared (FT-MIR) spectroscopy. The results of dilute solution viscometry showed that the percentage of 5 wt% of Nb2O5 conferred radiolytic protection to the polymer, reducing main chain scission events in relation to PVC matrix. According to colorimetric test, the films became darker and yellowish, both due to the increase in oxide percentage as the increase of radiation dose. For the same material, exposure to gamma radiation did not cause significant changes in the mechanical properties evaluated by the mechanical tensile test (tensile strength, Young's modulus and percent elongation). Moreover, the presence of Nb2O5 in systems contributed to reduce the value of these properties. The results of TGA showed that gamma radiation reduced the thermal stability of prepared materials, while the oxide did not change it significantly. Exposure of the films to gamma radiation contributed to reduce the activation energy for the dehydrochlorination process and increase the activation energy for the breakdown process of polyenes sequences, although the oxide has not catalyzed neither processes. Some chemical changes caused by irradiation of the films were not detected by FT-MIR spectroscopy, using attenuated total reflectance to the spectra acquisition. It was also found that Nb2O5 did not presented antibacterial activity against Escherichia coli, evaluated by broth macrodilution test with agitation.

A preparação de formulações contendo o princípio ativo 17-valerato de betametasona (VB) é amplamente difundida entre as indústrias farmacêuticas, por se tratar de fármaco antiinflamatório de escolha, no tratamento de condições em que a terapia com corticoesteróides é indicada. Muito empregado no tratamento tópico de condições alérgicas e inflamatórias dos olhos, orelhas e nariz, inalação para a profilaxia da asma e também em veterinária. Isto devido ao seu alto poder antiinflamatório, quando comparado a outros corticoesteróides, e sua falta virtual de propriedades mineralocorticóides, causando baixa retenção de sódio e, subsequentemente, de água. Conforme descrita na Farmacopéia Americana USP 32 NF 27, o princípio ativo 17-valerato de betametasona hidrolisa-se em seu isômero 21-valerato de betametasona, seu principal produto de degradação, que possui baixo poder antiinflamatório. Adicionalmente, a norma brasileira em vigência para estudos de estabilidade de medicamentos, RE n°1, de 29 de Julho de 2005, propõe condições estressantes para estudo de estabilidade de longa duração (30°C/75%UR), o que acelera a reação de hidrólise (degradação) do princípio ativo. Conhecidamente, estudos prévios mostram que formulações tópicas contendo o VB (loção, creme, solução e pomada) apresentam uma estabilidade curta. Assim, uma forma de estabilizar o VB é a complexação (inclusão), com compostos de ciclodextrina (CD). O objetivo deste projeto foi estabelecer procedimentos para a obtenção, caracterização físico-química e avaliação de estabilidade térmica do complexo sólido supracitado. Para atender este objetivo técnicas de análise térmica (calorimetria exploratória diferencial e termogravimetria), infravermelho médio com transformada de Fourier, ressonância magnética nuclear e cromatografia líquida de alta eficiência, fizeram-se necessárias. / Preparation of formulations containing the active ingredient betamethasone 17-valerate (VB) is widely defunded within pharmaceutical industry, once it concerns an anti-inflammatory drug and an option, in the treatment of conditions in which corticosteroids therapy is indicated. Often employed in topical treatment of eye, ear and nose allergic and inflammatory conditions, inhalation for asthma prophylaxes, and also in veterinary. This because its high anti-inflammatory activity, when compared to others corticosteroids, and its virtual lack of mineralocorticoids properties, causing a low sodium retention and, subsequently, of water. As described in the United States pharmacopeia USP 32 NF 27, the active ingredient betamethasone 17-valerate hydrolyses into its isomer betamethasone 21- valerate, its main degradation product, that has a low anti-inflammatory activity . Additionally, the Brazilian legislation for drug products stability study, RE n°1, July 29th 2005, introduce long therm stability study stressing conditions (30°C/75%RH), accelerating the reactive hydrolysis (degradation) for the active ingredient. Well known, previous studies show that topical formulations containing VB (lotion, cream, solution and ointment) presents a short stability. Complexation (inclusion) with cyclodextrin (CD) compounds shows a reasonable way to improve the VB stability. The project objective is to establish procedures for the obtainment, physicochemical characterization and solid complex (cited above) thermal stability evaluation. In order to achieve this objective thermal analysis techniques (differential scanning calorimetry and thermogravimetry), Fourier transformation middle infrared, nuclear magnetic resonance and high performance liquid chromatography, were needed.

A análise de proteínas como redes é uma ferramenta poderosa para compreender as suas propriedades e a importância relativa de seus resíduos. Nesta análise, os resíduos que interagem entre si, covalentemente ou não, são chamados conectados. Nesta abordagem, alguns resíduos contribuem mais fortemente para manter as propriedades da rede, sendo chamados de centrais. Diversos trabalhos têm apontado que resíduos centrais da Rede de Estrutura Proteica também são importantes nas propriedades das proteínas, desempenhando papéis na catálise, estabilidade térmica e alosteria. No entanto, existe falta de trabalhos desenhados de forma sistemática para confirmar esta hipótese. Neste sentido, esta tese tem como objetivo avaliar se existe correlação entre a centralidade dos resíduos de uma enzima, a beta-glicosidase de Spodoptera frugiperda, Sfβgli, e a importância destes resíduos na determinação das suas propriedades. Para isso, foram utilizadas duas abordagens (capítulo 1): Na primeira, os resíduos centrais foram diretamente perturbados substituindo-os, através de mutação sítio-dirigida, por alanina. Na segunda, perturbações no resíduo central foram feitas modificando a vizinhança deste resíduo através de mutações que introduziram ou removeram volume de seu entorno. A partir disso, foi avaliado se estas perturbações afetaram as propriedades Sfβgli. De forma geral, foi observado (capítulo 2) que as perturbações nos resíduos centrais por ambas abordagens afetam significativamente a termoestabilidade da proteína, reduzindo a sua Tm em até 15°C e aumentando a velocidade de sua desnaturação térmica em até mais de 20 vezes. Além disso, a atividade catalítica de Sfβgli é reduzida por estas perturbações (capítulo 3), sendo que este efeito e a perda da termoestabilidade parecem resultar da mesma causa, a perturbação do resíduo central. No capítulo 4, a investigação do estado oligomérico da Sfβgli por SAXS revelou que esta ocorre preponderantemente como dímero em citrato-fosfato 100 mM pH 6,0, mas como um grande oligômero, possivelmente um dodecâmero, em fosfato 10 mM pH 6,0. Paralelamente foi demonstrado que Sfβgli passa por uma ativação quando em tampão fosfato 10 mM, convergindo para as propriedades cinéticas de Sfβgli em citrato-fosfato 100 mM. Redes de Estrutura Proteica foram produzidas considerando-se também a interação entre as cadeias polipeptídicas constituintes de oligômeros de Sfβgli (dímeros, tetrâmeros e hexâmeros). Assim, observou-se que cinco resíduos são sempre centrais por betweeness, mesmo considerando diferentes oligomêros da Sfgli. Destes, E187, P188 e N329 desempenham papéis conhecidos na catálise e S247 e N249 foram caracterizados nesta tese. Por fim, no capítulo 5, analisando a centralidade dos resíduos da Rede Estrutural da Sfβgli, observa-se uma preponderante presença de resíduos centrais por CΔLp, closeness e betweeness no topo do beta-barril, demonstrando que esta região é muito próxima dos demais resíduos da proteína. Além disso, uma análise da centralidade dos resíduos de 21 beta-glicosidases GH1 revelou que resíduos centrais por closeness são bastante conservados, sendo encontrados predominantemente no sítio ativo destas enzimas, enquanto que dentre os centrais por betweeness há variabilidade. Portanto os resultados apresentados nesta tese suportam experimentalmente a hipótese de que a centralidade dos resíduos na Rede de Estrutura Proteica é correlacionada com propriedades funcionais das proteínas. / Analysis of protein structures as networks has been shown a powerful tool to understand their properties and to identify important residues. In the network analysis, residues that interact with each other are called connected. Some residues are essential to shorten the connection pathways between distant residues in the protein structure, being called central. Central residues have been proposed to have important roles in catalysis, thermal stability and allostery. In order to experimentally assess the correlation between the residue centrality and its importance in the protein properties, we use two approaches (chapter 1): The first one is to make single mutations at the central residues of a betaglucosidase Sfβgly, changing those residues to alanine. The second one is to perturb a central residue (F251) by changing its environment through single mutations that introduces voids or additional volume. Next, we evaluate how those mutations affect the protein thermostability and function. In general, we have observed (chapter 2) that mutations at central residues reduce the Tm in 2 - 15°C and increase the unfolding rate up to 20 times, suggesting that damages in the central residues make the protein more unstable. Moreover, we have observed (chapter 3) that the perturbation of the central residues reduces Sfβgly catalysis, which seems to arise from the same cause that lead to the loss of thermal stability. Besides that, in chapter 4, the investigation of oligomeric state of Sfgli using SAXS indicated that this protein is mainly a dimer in 100 mM citrate-phosphate pH 6,0, whereas it forms large oligomers, possibly dodecamers, in 10 mM phosphate pH 6,0. In parallel it was shown that Sfβgly undergoes an activation process in 10 mM phosphate and its kinetic parameters converge to those observed for Sfβgly in 100 mM citrate-phosphate. Protein Structural Networks were built considering also that there are links between the polypeptidic chains of the Sfβgly oligomers. We observed 5 residues that are central in all kind of oligomeric structures here analyzed. Three of these residues, E187, P188 and N329, play important roles in the catalysis of this enzyme, and two of them (S247 and N249 are described in this thesis. Lastly, in the chapter 5, we observed that central residues by closeness, betweeness and CΔLp are concentrated at the top of the beta-barrel (C-terminal end of the beta-strands and subsequent loops), suggesting that this region, where the active site is placed, is close, in terms of contacts, to the whole Sfβgly structure. Moreover, we have built the Protein Structural Network of 21 beta-glucosidases of the Glucoside Hydrolases family 1, revealing that the closeness central residues are highly conserved, being located in the active site of these enzymes. On the other hand, betweeness central residues are located in the same sites in the structure of different beta-glucosidases, but they are not always conserved. Shortly, these data experimentally support the hypothesis that the residue centrality in Protein Structural Network is correlated with the protein properties, as catalysis and stability.

A instabilidade térmica do óxido de germânio (GeO2) é um obstáculo à utilização de germânio (Ge) como material semicondutor em dispositivos MOSFET. Essa instabilidade é induzida por vacâncias de oxigênio originadas de uma reação interfacial entre o óxido e o substrato. Essas vacâncias são responsáveis pela dessorção de GeO da superfície do óxido e pela deterioração das propriedades elétricas do transistor. Estudos sugerem que a incorporação de nitrogênio no GeO2 aumenta a sua estabilidade. Nesta dissertação, filmes de oxinitreto de germânio (GeOxNy) foram crescidos termicamente sobre Ge, utilizando gás óxido nítrico (NO), em um forno aquecido resistivamente. Técnicas de análise por feixe de íons, como espectrometria de retroespalhamento Rutherford e análise por reações nucleares, foram utilizadas para investigar o transporte atômico durante o crescimento dos filmes e o papel do nitrogênio na estabilização do óxido. Para a determinação da espessura, da densidade e da rugosidade de alguns filmes, foram realizadas medidas de reflectometria de raios X. Os resultados mostram que a incorporação de uma pequena quantidade de nitrogênio resulta em uma diminuição substancial na dessorção de GeO e na formação de uma barreira eficiente contra a oxidação adicional do substrato. Átomos de nitrogênio incorporados na estrutura do óxido podem reduzir a difusividade das vacâncias de oxigênio, levando ao aumento da estabilidade térmica. / The thermal instability of germanium oxide (GeO2) hinders the use of germanium (Ge) as the semiconductor material in MOSFET devices. This instability is induced by oxygen vacancies originated from the interfacial reaction between the oxide and the substrate. These vacancies are responsible for GeO desorption from the oxide surface and deterioration of the device’s eletrical properties. Previous studies suggest that nitrogen incorporation increases the oxide’s stability. In this dissertation, germanium oxynitride (GeOxNy) films were thermally grown on Ge using nitric oxide (NO) gas, in a conventional resistively heated furnace. Ion beam analysis tecniques, such as Rutherford backscattering spectrometry and nuclear reaction analysis, were used to investigate atomic transport during thermal growth and the role of nitrogen in the improved stability. Film thickness, density and roughness were obtained through X-ray reflectometry. Results show that the incorporation of a small amount of nitrogen yields a substantial decrease in GeO desorption and the formation of a strong barrier against further oxidation of the substrate. Nitrogen atoms incorporated into the oxide structure may decrease oxygen vacancy diffusivity, leading to enhanced thermal stability.

De maneira a melhorar o desempenho de um Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET), o germânio (Ge) é um forte candidato para substituir o silício (Si) como semicondutor, devido a sua alta mobilidade dos portadores de carga. Contudo, o filme de dióxido de germânio (GeO2) sobre Ge é solúvel em água e suas propriedades elétricas inferiores. Nesse sentido, a proposta desta dissertação de Mestrado é oxinitretar termicamente filmes de GeO2 em atmosfera de óxido nítrico (15NO), de maneira a melhorar as propriedades elétricas e físico-químicas dessas estruturas. Inicialmente, as amostras foram limpas quimicamente usando uma mistura de peróxido de hidrogênio (H2O2) e ácido clorídrico + água (HCl + H2O, 4:1). Os filmes de GeO2 foram crescidos termicamente sobre Ge usando atmosfera de oxigênio enriquecido 97% no isótopo de massa 18 (18O), com parâmetros na qual geraram um filme com espessura de ~5 nm. As oxinitretações foram realizadas em um forno térmico rápido com atmosfera de 15NO, nas temperaturas variando de 400-600°C, nos tempos de 1 a 5 minutos. O objetivo da oxinitretação foi criar um filme de oxinitreto de germânio (GeOxNy) com propriedades físico-químicas satisfatórias para a indústria de microeletrônica. Também foram realizados recozimentos térmicos em atmosfera inerte com objetivo de testar a estabilidade térmicas dos filmes de GeOxNy. Análise com Reação Nuclear (NRA) e Espectrometria de Retroespalhamento Rutherford em geometria de canalização (RBS-c) foram utilizadas para quantificar a quantidade total de oxigênio 18O e 16O, respectivamente. NRP também foi utilizada de modo a determinar o perfil de concentração em função da profundidade para as espécies de 18O e 15N. De modo a investigar a composição química das amostras, Espectroscopia de Fotoelétrons induzidos por raio-X (XPS) foi utilizada. Pelas análises por RBS e NRA do 18O, podemos observar que ocorre troca entre os isótopos de 18O e 16O para todas das temperaturas de oxinitretação. Este resultado corrobora com estudos recentes da literatura. Para as amostras oxinitretadas em 5 minutos a 500°C e todas as amostras oxinitretadas a 550°C e 600°C, ocorre troca isotópica completa. Observamos ainda por NRP que o 15N é incorporado mais superficialmente para as temperaturas de oxinitretação até 550°C. Resultados de XPS indicam formação maior de GeOxNy próximos da superfície das amostras e para temperaturas e/ou tempos maiores. Testes de estabilidade térmica indicam que a incorporação de nitrogênio mais próximo das superfície da amostra inibe a dessorção das espécies de GeO. As amostras que não foram oxinitretadas acabam dessorvendo quase por completo o filme de GeO2 quando realizados os recozimentos térmicos. Este efeito do nitrogênio incorporado próximo da superfície tem grande potencial para uso em camadas interfaciais entre semicondutor e dielétricos de porta. / In order to improve the performance of Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET), germanium is a good candidate to replace silicon as semiconductor due to its higher charge carrier mobility. However, the germanium dioxide (GeO2) film over Ge is water soluble and produces poor electrical characteristics. In this way, this Master dissertation proposes thermal oxinitridation of the GeO2 films in nitric oxide (15NO) atmosphere in order to improve its electrical and physico-chemical characteristics. Samples were first cleaned using a mixture of hydrogen peroxide (H2O2) and hydrogen chloride + water (HCl + H2O, 4:1). GeO2 films were thermally grown on Ge using oxygen enriched in 97% in the isotope of mass 18, which generated ~5 nm thick film. Oxinitridation was performed in a rapid thermal furnace under 15NO atmosphere, at the 400-600°C temperature range, and 1-5 minutes time range. The goal was to form a germanium oxinitride film (GeOxNy) with physico-chemical properties that are satisfactory for microelectronics industry. We also performed thermal annealing in inert atmosphere to test the thermal stability of GeOxNy films. Nuclear Reaction Analysis (NRA) and Rutherford Backscattering Spectrometry in channeled geometry (RBS-c) were used to quantify the total amount of oxygen 18O and 16O, respectively. NRP was also performed to determine the 18O and 15N depth distribution. In order to investigate the chemical composition of the samples, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) was performed. RBS and NRA analysis showed isotopic exchange between 18O and 16O for all temperatures investigated. This result corroborates previous literature studies. Samples oxynitrided in 5 minutes at 500°C and all the samples oxinitrided at 550-600°C showed complete isotopic exchange. We also observed by NRP that nitrogen incorporation occurs more superficially until 550°C. XPS results indicate more formation of GeOxNy near the surface of the samples and for higher temperatures and/or time of oxinitredation. Thermal stability results indicated that the nitrogen incorporation near the sample surface inhibit the GeO desorption. On the other hand, samples that were not oxynitrided have almost all the GeO2 desorbed when thermal annealing is performed.

A instabilidade térmica do óxido de germânio (GeO2) é um obstáculo à utilização de germânio (Ge) como material semicondutor em dispositivos MOSFET. Essa instabilidade é induzida por vacâncias de oxigênio originadas de uma reação interfacial entre o óxido e o substrato. Essas vacâncias são responsáveis pela dessorção de GeO da superfície do óxido e pela deterioração das propriedades elétricas do transistor. Estudos sugerem que a incorporação de nitrogênio no GeO2 aumenta a sua estabilidade. Nesta dissertação, filmes de oxinitreto de germânio (GeOxNy) foram crescidos termicamente sobre Ge, utilizando gás óxido nítrico (NO), em um forno aquecido resistivamente. Técnicas de análise por feixe de íons, como espectrometria de retroespalhamento Rutherford e análise por reações nucleares, foram utilizadas para investigar o transporte atômico durante o crescimento dos filmes e o papel do nitrogênio na estabilização do óxido. Para a determinação da espessura, da densidade e da rugosidade de alguns filmes, foram realizadas medidas de reflectometria de raios X. Os resultados mostram que a incorporação de uma pequena quantidade de nitrogênio resulta em uma diminuição substancial na dessorção de GeO e na formação de uma barreira eficiente contra a oxidação adicional do substrato. Átomos de nitrogênio incorporados na estrutura do óxido podem reduzir a difusividade das vacâncias de oxigênio, levando ao aumento da estabilidade térmica. / The thermal instability of germanium oxide (GeO2) hinders the use of germanium (Ge) as the semiconductor material in MOSFET devices. This instability is induced by oxygen vacancies originated from the interfacial reaction between the oxide and the substrate. These vacancies are responsible for GeO desorption from the oxide surface and deterioration of the device’s eletrical properties. Previous studies suggest that nitrogen incorporation increases the oxide’s stability. In this dissertation, germanium oxynitride (GeOxNy) films were thermally grown on Ge using nitric oxide (NO) gas, in a conventional resistively heated furnace. Ion beam analysis tecniques, such as Rutherford backscattering spectrometry and nuclear reaction analysis, were used to investigate atomic transport during thermal growth and the role of nitrogen in the improved stability. Film thickness, density and roughness were obtained through X-ray reflectometry. Results show that the incorporation of a small amount of nitrogen yields a substantial decrease in GeO desorption and the formation of a strong barrier against further oxidation of the substrate. Nitrogen atoms incorporated into the oxide structure may decrease oxygen vacancy diffusivity, leading to enhanced thermal stability.

De maneira a melhorar o desempenho de um Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET), o germânio (Ge) é um forte candidato para substituir o silício (Si) como semicondutor, devido a sua alta mobilidade dos portadores de carga. Contudo, o filme de dióxido de germânio (GeO2) sobre Ge é solúvel em água e suas propriedades elétricas inferiores. Nesse sentido, a proposta desta dissertação de Mestrado é oxinitretar termicamente filmes de GeO2 em atmosfera de óxido nítrico (15NO), de maneira a melhorar as propriedades elétricas e físico-químicas dessas estruturas. Inicialmente, as amostras foram limpas quimicamente usando uma mistura de peróxido de hidrogênio (H2O2) e ácido clorídrico + água (HCl + H2O, 4:1). Os filmes de GeO2 foram crescidos termicamente sobre Ge usando atmosfera de oxigênio enriquecido 97% no isótopo de massa 18 (18O), com parâmetros na qual geraram um filme com espessura de ~5 nm. As oxinitretações foram realizadas em um forno térmico rápido com atmosfera de 15NO, nas temperaturas variando de 400-600°C, nos tempos de 1 a 5 minutos. O objetivo da oxinitretação foi criar um filme de oxinitreto de germânio (GeOxNy) com propriedades físico-químicas satisfatórias para a indústria de microeletrônica. Também foram realizados recozimentos térmicos em atmosfera inerte com objetivo de testar a estabilidade térmicas dos filmes de GeOxNy. Análise com Reação Nuclear (NRA) e Espectrometria de Retroespalhamento Rutherford em geometria de canalização (RBS-c) foram utilizadas para quantificar a quantidade total de oxigênio 18O e 16O, respectivamente. NRP também foi utilizada de modo a determinar o perfil de concentração em função da profundidade para as espécies de 18O e 15N. De modo a investigar a composição química das amostras, Espectroscopia de Fotoelétrons induzidos por raio-X (XPS) foi utilizada. Pelas análises por RBS e NRA do 18O, podemos observar que ocorre troca entre os isótopos de 18O e 16O para todas das temperaturas de oxinitretação. Este resultado corrobora com estudos recentes da literatura. Para as amostras oxinitretadas em 5 minutos a 500°C e todas as amostras oxinitretadas a 550°C e 600°C, ocorre troca isotópica completa. Observamos ainda por NRP que o 15N é incorporado mais superficialmente para as temperaturas de oxinitretação até 550°C. Resultados de XPS indicam formação maior de GeOxNy próximos da superfície das amostras e para temperaturas e/ou tempos maiores. Testes de estabilidade térmica indicam que a incorporação de nitrogênio mais próximo das superfície da amostra inibe a dessorção das espécies de GeO. As amostras que não foram oxinitretadas acabam dessorvendo quase por completo o filme de GeO2 quando realizados os recozimentos térmicos. Este efeito do nitrogênio incorporado próximo da superfície tem grande potencial para uso em camadas interfaciais entre semicondutor e dielétricos de porta. / In order to improve the performance of Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET), germanium is a good candidate to replace silicon as semiconductor due to its higher charge carrier mobility. However, the germanium dioxide (GeO2) film over Ge is water soluble and produces poor electrical characteristics. In this way, this Master dissertation proposes thermal oxinitridation of the GeO2 films in nitric oxide (15NO) atmosphere in order to improve its electrical and physico-chemical characteristics. Samples were first cleaned using a mixture of hydrogen peroxide (H2O2) and hydrogen chloride + water (HCl + H2O, 4:1). GeO2 films were thermally grown on Ge using oxygen enriched in 97% in the isotope of mass 18, which generated ~5 nm thick film. Oxinitridation was performed in a rapid thermal furnace under 15NO atmosphere, at the 400-600°C temperature range, and 1-5 minutes time range. The goal was to form a germanium oxinitride film (GeOxNy) with physico-chemical properties that are satisfactory for microelectronics industry. We also performed thermal annealing in inert atmosphere to test the thermal stability of GeOxNy films. Nuclear Reaction Analysis (NRA) and Rutherford Backscattering Spectrometry in channeled geometry (RBS-c) were used to quantify the total amount of oxygen 18O and 16O, respectively. NRP was also performed to determine the 18O and 15N depth distribution. In order to investigate the chemical composition of the samples, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) was performed. RBS and NRA analysis showed isotopic exchange between 18O and 16O for all temperatures investigated. This result corroborates previous literature studies. Samples oxynitrided in 5 minutes at 500°C and all the samples oxinitrided at 550-600°C showed complete isotopic exchange. We also observed by NRP that nitrogen incorporation occurs more superficially until 550°C. XPS results indicate more formation of GeOxNy near the surface of the samples and for higher temperatures and/or time of oxinitredation. Thermal stability results indicated that the nitrogen incorporation near the sample surface inhibit the GeO desorption. On the other hand, samples that were not oxynitrided have almost all the GeO2 desorbed when thermal annealing is performed.

A instabilidade térmica do óxido de germânio (GeO2) é um obstáculo à utilização de germânio (Ge) como material semicondutor em dispositivos MOSFET. Essa instabilidade é induzida por vacâncias de oxigênio originadas de uma reação interfacial entre o óxido e o substrato. Essas vacâncias são responsáveis pela dessorção de GeO da superfície do óxido e pela deterioração das propriedades elétricas do transistor. Estudos sugerem que a incorporação de nitrogênio no GeO2 aumenta a sua estabilidade. Nesta dissertação, filmes de oxinitreto de germânio (GeOxNy) foram crescidos termicamente sobre Ge, utilizando gás óxido nítrico (NO), em um forno aquecido resistivamente. Técnicas de análise por feixe de íons, como espectrometria de retroespalhamento Rutherford e análise por reações nucleares, foram utilizadas para investigar o transporte atômico durante o crescimento dos filmes e o papel do nitrogênio na estabilização do óxido. Para a determinação da espessura, da densidade e da rugosidade de alguns filmes, foram realizadas medidas de reflectometria de raios X. Os resultados mostram que a incorporação de uma pequena quantidade de nitrogênio resulta em uma diminuição substancial na dessorção de GeO e na formação de uma barreira eficiente contra a oxidação adicional do substrato. Átomos de nitrogênio incorporados na estrutura do óxido podem reduzir a difusividade das vacâncias de oxigênio, levando ao aumento da estabilidade térmica. / The thermal instability of germanium oxide (GeO2) hinders the use of germanium (Ge) as the semiconductor material in MOSFET devices. This instability is induced by oxygen vacancies originated from the interfacial reaction between the oxide and the substrate. These vacancies are responsible for GeO desorption from the oxide surface and deterioration of the device’s eletrical properties. Previous studies suggest that nitrogen incorporation increases the oxide’s stability. In this dissertation, germanium oxynitride (GeOxNy) films were thermally grown on Ge using nitric oxide (NO) gas, in a conventional resistively heated furnace. Ion beam analysis tecniques, such as Rutherford backscattering spectrometry and nuclear reaction analysis, were used to investigate atomic transport during thermal growth and the role of nitrogen in the improved stability. Film thickness, density and roughness were obtained through X-ray reflectometry. Results show that the incorporation of a small amount of nitrogen yields a substantial decrease in GeO desorption and the formation of a strong barrier against further oxidation of the substrate. Nitrogen atoms incorporated into the oxide structure may decrease oxygen vacancy diffusivity, leading to enhanced thermal stability.

De maneira a melhorar o desempenho de um Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET), o germânio (Ge) é um forte candidato para substituir o silício (Si) como semicondutor, devido a sua alta mobilidade dos portadores de carga. Contudo, o filme de dióxido de germânio (GeO2) sobre Ge é solúvel em água e suas propriedades elétricas inferiores. Nesse sentido, a proposta desta dissertação de Mestrado é oxinitretar termicamente filmes de GeO2 em atmosfera de óxido nítrico (15NO), de maneira a melhorar as propriedades elétricas e físico-químicas dessas estruturas. Inicialmente, as amostras foram limpas quimicamente usando uma mistura de peróxido de hidrogênio (H2O2) e ácido clorídrico + água (HCl + H2O, 4:1). Os filmes de GeO2 foram crescidos termicamente sobre Ge usando atmosfera de oxigênio enriquecido 97% no isótopo de massa 18 (18O), com parâmetros na qual geraram um filme com espessura de ~5 nm. As oxinitretações foram realizadas em um forno térmico rápido com atmosfera de 15NO, nas temperaturas variando de 400-600°C, nos tempos de 1 a 5 minutos. O objetivo da oxinitretação foi criar um filme de oxinitreto de germânio (GeOxNy) com propriedades físico-químicas satisfatórias para a indústria de microeletrônica. Também foram realizados recozimentos térmicos em atmosfera inerte com objetivo de testar a estabilidade térmicas dos filmes de GeOxNy. Análise com Reação Nuclear (NRA) e Espectrometria de Retroespalhamento Rutherford em geometria de canalização (RBS-c) foram utilizadas para quantificar a quantidade total de oxigênio 18O e 16O, respectivamente. NRP também foi utilizada de modo a determinar o perfil de concentração em função da profundidade para as espécies de 18O e 15N. De modo a investigar a composição química das amostras, Espectroscopia de Fotoelétrons induzidos por raio-X (XPS) foi utilizada. Pelas análises por RBS e NRA do 18O, podemos observar que ocorre troca entre os isótopos de 18O e 16O para todas das temperaturas de oxinitretação. Este resultado corrobora com estudos recentes da literatura. Para as amostras oxinitretadas em 5 minutos a 500°C e todas as amostras oxinitretadas a 550°C e 600°C, ocorre troca isotópica completa. Observamos ainda por NRP que o 15N é incorporado mais superficialmente para as temperaturas de oxinitretação até 550°C. Resultados de XPS indicam formação maior de GeOxNy próximos da superfície das amostras e para temperaturas e/ou tempos maiores. Testes de estabilidade térmica indicam que a incorporação de nitrogênio mais próximo das superfície da amostra inibe a dessorção das espécies de GeO. As amostras que não foram oxinitretadas acabam dessorvendo quase por completo o filme de GeO2 quando realizados os recozimentos térmicos. Este efeito do nitrogênio incorporado próximo da superfície tem grande potencial para uso em camadas interfaciais entre semicondutor e dielétricos de porta. / In order to improve the performance of Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET), germanium is a good candidate to replace silicon as semiconductor due to its higher charge carrier mobility. However, the germanium dioxide (GeO2) film over Ge is water soluble and produces poor electrical characteristics. In this way, this Master dissertation proposes thermal oxinitridation of the GeO2 films in nitric oxide (15NO) atmosphere in order to improve its electrical and physico-chemical characteristics. Samples were first cleaned using a mixture of hydrogen peroxide (H2O2) and hydrogen chloride + water (HCl + H2O, 4:1). GeO2 films were thermally grown on Ge using oxygen enriched in 97% in the isotope of mass 18, which generated ~5 nm thick film. Oxinitridation was performed in a rapid thermal furnace under 15NO atmosphere, at the 400-600°C temperature range, and 1-5 minutes time range. The goal was to form a germanium oxinitride film (GeOxNy) with physico-chemical properties that are satisfactory for microelectronics industry. We also performed thermal annealing in inert atmosphere to test the thermal stability of GeOxNy films. Nuclear Reaction Analysis (NRA) and Rutherford Backscattering Spectrometry in channeled geometry (RBS-c) were used to quantify the total amount of oxygen 18O and 16O, respectively. NRP was also performed to determine the 18O and 15N depth distribution. In order to investigate the chemical composition of the samples, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) was performed. RBS and NRA analysis showed isotopic exchange between 18O and 16O for all temperatures investigated. This result corroborates previous literature studies. Samples oxynitrided in 5 minutes at 500°C and all the samples oxinitrided at 550-600°C showed complete isotopic exchange. We also observed by NRP that nitrogen incorporation occurs more superficially until 550°C. XPS results indicate more formation of GeOxNy near the surface of the samples and for higher temperatures and/or time of oxinitredation. Thermal stability results indicated that the nitrogen incorporation near the sample surface inhibit the GeO desorption. On the other hand, samples that were not oxynitrided have almost all the GeO2 desorbed when thermal annealing is performed.