Le milieu interstellaire (MIS) est un système extrêmement complexe. Il correspond à une échelle intermédiaire entre les étoiles et les galaxies. Le gaz interstellaire est présent dans toute la galaxie, remplissant l’espace entre les étoiles. Une grande diversité de processus couplés, comme la gravité, le champs magnétiques, la turbulence et la chimie, participe à son évolution, faisant de la modélisation du MIS un problème ardu. Une description correcte du MIS nécessite un bon traitement des équations de la magnetohydrodynamique (MHD), de la gravité, du bilan thermique et de l’évolution chimique à l’intérieur du nuage moléculaire.L’objectif de ce travail de thèse est une meilleure compréhension de la formation et de l’évolution des nuages moléculaires, et plus particulièrement de la transition du gaz atomique en gaz moléculaire. Nous avons réalisé des simulations numériques de la formation des nuages moléculaires et de la formation de l’hydrogène moléculaire sous l’influence de la gravité et de la turbulence MHD, en utilisant des estimations précises de l’écrantage par les poussières et de l’auto-écrantage par la molécule H2. Ceci a été calculé grâce à une méthode en arbre, à même de fournir une rapide estimation des densités de colonne.Nous avons trouvé que l’hydrogène moléculaire se forme plus rapidement que prévu par les estimations classiques du fait de l’augmentation de densité locale provoquée par les fluctuations turbulentes du gaz. L’hydrogène moléculaire, formé à des densités plus élevées, peut alors migrer vers les régions plus chaudes et moins denses.Les densités de colonne totale d’hydrogène moléculaire montrent que la transition HI-H2 se produit à des densités de colonne de quelques 10^20 cm−2. Nous avons calculé les populations des niveaux rotationnels de H2 à l’équilibre thermique et intégré le long de plusieurs lignes de visée. Ces résultats reproduisent bien les valeurs observées par Copernicus et FUSE, suggérant que la transition observée et les populations excitées pourraient être une conséquence de la structure multi-phasique des nuages moléculaires. Comme la formation de H2 précède la formation des autres molécules, le H2 chaud pourrait permettre le développement d’espèces endothermiques et éventuellement expliquer certains aspects de la richesse moléculaire observée dans l’ISM. / The interstellar medium (ISM) is a highly complex system. It corresponds to an intermediate scale between stars and galaxies. The interstellar gas is present throughout the galaxy, filling the volume between stars. A wide variety of coupled processes, such as gravity, magnetic fields, turbulence and chemistry, participate in its evolution, making the modeling of the ISM a challenging problem. A correct description of the ISM requires a good treatment of the magnetohydrodynamics (MHD) equations, gravity, thermal balance, and chemical evolution within the molecular clouds.This thesis work aims at a better understanding of the formation and evolution of molecular clouds, specially how they become "molecular", paying particular attention to the transition HI-to-H2. We have performed ideal MHD simulations of the formation of molecular clouds and the formation of molecular hydrogen under the influence of gravity and turbulence, using accurate estimates for the shielding effects from dust and the self-shielding for H2, calculated with a Tree-based method, able to provide fast estimates of column densities.We find that H2 is formed faster than predicted by the usual estimates due to local density enhancements created by the gas turbulent motions. Molecular hydrogen, formed at higher densities, could then migrate toward low density warmer regions.Total H2 column densities show that the HI-to-H2 transition occurs at total column densities of a few 10^20 cm−2. We have calculated the populations of rotational levels of H2 at thermal equilibrium, and integrated along several lines of sight. These two results reproduce quite well the values observed by Copernicus and FUSE, suggesting that the observed transition and the excited populations could arise as a consequence of the multi-phase structure of molecular clouds. As H2 formation is prior to further molecule formation, warm H2 could possibly allow the development of a warm chemistry, and eventually explain some aspects of the molecular richness observed in the ISM.

Na literatura, a análise e a interpretação das linhas de emissão de H2 em nebulosas planetárias são feitas, em geral, considerando que a molécula somente seja produzida em ambientes neutros, como as regiões de fotodissociação ou com choques. No entanto, existem fortes evidências observacionais de que ao menos parte da emissão seja proveniente da região ionizada desses objetos. Em trabalhos anteriores mostramos que quantidades significativas de H2 podem sobreviver dentro dessa região hostil. No presente trabalho nosso objetivo é calcular e estudar a emissão de H2 em linhas no infravermelho produzidas na região ionizada de nebulosas planetárias, utilizando o código de fotoionização unidimensional Aangaba. Para isso, desenvolvemos diversas sub-rotinas que determinam o povoamento em níveis de energia da molécula e calculam a intensidade das linhas de emissão de H2. Obtivemos a intensidade de diversas linhas produzidas pela molécula H2 em nebulosas planetárias cujos parâmetros característicos (temperatura e luminosidade da estrela central, densidade do gás, tipo e tamanho dos grãos, etc.) estão na faixa de valores conhecidos para esses objetos. Como resultado de nosso trabalho, mostramos que a contribuição da região ionizada para a emissão de H2 de nebulosas planetárias pode ser significativa em diversas situações, particularmente quando a temperatura da estrela central é alta. Esse resultado pode explicar porque a detecção de linhas de H2 é mais provável em nebulosas planetárias bipolares, que têm estrelas tipicamente mais quentes. Além disso, verificamos que na região ionizada a excitação e a desexcitação colisional são mecanismos importantes de povoamento de todos os níveis rovibracionais do estado fundamental eletrônico de H2. Os mecanismos radiativos são também importantes, particularmente para os níveis de energia excitados. Os mecanismos de formação em estados excitados podem ter alguma influência no espectro de linhas produzidas pela desexcitação de níveis rotacionais bastante elevados, principalmente em ambientes densos. Em nossos modelos incluímos o efeito da molécula H2 no equilíbrio térmico do gás, verificando que a molécula H2 somente tem influência significativa na temperatura do gás em casos de temperatura da estrela central muito alta ou grande quantidade de grãos, principalmente através da desexcitação colisional. / The analysis and the interpretation of the H2 line emission of planetary nebulae have been done in the literature assuming that the molecule survives only in neutral environments, as in photodissociation or shocked regions. However, there is strong evidence that at least part of the H2 emission is produced inside the ionized region of such objects. In previous work we showed that significant amounts of H2 can survive inside the ionized region of planetary nebulae. The aim of the present work is to calculate and study the infrared line emission of H2 produced inside the ionized region of planetary nebulae using the one-dimensional photoionization code Aangaba. For this, we developed several numerical subroutines in order to calculate the statistical population of the H2 energy levels, as well as the intensity of the H2 infrared emission lines in physical conditions typical of planetary nebulae. We show that the contribution of the ionized region for the H2 emission can be significant, particularly in the case of nebulae with high temperature central stars. This result explains why H2 emission is more frequently observed in bipolar planetary nebulae (Gatley\'s rule), since this kind of object typically has hotter stars. We show that collisional excitation plays an important role on the H2 population of the rovibrational levels of the electronic ground state. Radiative mechanisms are also important, particularly for upper levels. Formation pumping may have some effects on the line intensities produced by de-excitation from very high rotational levels, specially in dense environments. We include the effects of H2 in the thermal equilibrium of the gas, concluding that H2 only contributes to the thermal equilibrium in the case of very high temperature of the central star or high grain to gas ratio, mainly through collisional de-excitation.

Increasing global energy demand and environmental concerns have fueled the exploration of sustainable and efficient methods for renewable fuel production. The conversion of cellulosic waste to hydrocarbon fuels using hydrogenated metal oxides presents a novel and eco-friendly approach to sustainably address energy demand. In this study, hydrogenated metal oxides were used as catalysts in a relatively low-temperature and atmospheric-pressure environment to facilitate the conversion of cellulosic waste into hydrocarbon fuels. Hydrogenated metal oxides have been introduced as potential hydrogen transfer catalysts. The expected result is the selective conversion of cellulose to hexane at relatively low temperatures, which significantly reduces energy consumption compared to traditional high temperature conversion techniques. The use of XPell R resulted in 2,000 ppm hexane in dodecane. Although the use of hydrogenated metal oxides for cellulosic waste conversion is promising, ongoing research and optimization efforts are crucial to enhance the catalyst efficiency and increase the yield.

<p>Istraživanja o primeni molekularnog vodonika prilično su nova, međutim dosada&scaron;nja naučna otkrića smatraju molekularni vodonik za važan agens u biomedicini, a sa saznanjem o njegovoj biolo&scaron;koj raspoloživosti i terapeutskom potencijalu u poslednjih deset godina, primetan je porast upotrebe vodonika u preventivne i terapijske svrhe. Proces starenja često prate metabolički poremećaji, gojaznost, opadanje kvaliteta života i kognitivne funkcije. Molekularni vodonik (H2) efikasno re&scaron;ava poremećaje povezane s metaboličkim poremećajima i kognitivnim funkcionisanjem na primerima dosada&scaron;njih istraživanja. U cilju procene efekata primene molekularnog vodonika na telesnu kompoziciju, metabolički profil i kvalitet života kod odraslih starijih žena, sprovedena su dva eksperimenta. U prvom eksperimentalnom postupku ispitivani su efekti primene putem oralnog uno&scaron;enja rastvora vode obogaćene molekularnim vodonikom (HRW) u trajanju od 28 dana. Prvo eksperimentalno istraživanje sprovedeno je na uzorku ispitanica ženskog pola srednjeg starosnog doba i prekomerne telesne težine (n = 10), koje su nasumice uzimale vodu obogaćenu molekularnim vodonikom i placebo. Analizirani su efekti primene HRW na indikatore telesne kompozicije, hormonalnog statusa, mitohondrijalne funkcije, kvalitet života, navike u ishrani, nivou fizičke aktivnosti, te kardiorespiratornim sposobnostima. Nakon primenjenog tretmana HRW do&scaron;lo je do statistički značajnih promena između posmatranih grupa ispitanica i smanjenja procenta telesnih masti i indeksa masti nadlaktice u korist grupe koja je uzimala H2 (P &lt; 0,05). Nakon primenjenog tretmana HRW do&scaron;lo je do statistički značajnog smanjenja u vrednostima triglicerida u serumu kod ispitanica H2 grupe u poređenju s placebo grupom (21,3% vs. 6,5%; P = 0,04), dok su ostali lipidi krvi ostali stabilni tokom ove studije (P &gt; 0,05). Nivoi serumskog insulina smanjeni su za 5,4%, dok je placebo intervencija uvećala odgovor insulina za 29,3% (P = 0,01). Do&scaron;lo je do statistički značajnih efekata kod H2 grupe u odnosu na placebo grupu u vrednostima maksimalne potro&scaron;nje kiseonika VO2 max (P &le; 0,03), ukupnog izvr&scaron;enog rada prilikom testiranja (P = 0,01), te ukupnog vremena trajanja testa opterećenja (P &le; 0,02). Na osnovu ovog istraživanja može se pretpostaviti da H2 može pozitivno uticati na telesnu strukturu i insulinsku rezistenciju i unapređenje kardiorespiratornih sposobnosti kod žena srednje starosne dobi, prekomerne telesne težine. Drugi eksperimentalni postupak odnosio se na primenu molekularnog vodonika H2 putem inhalacije svaki dan, po 15 minuta u trajanju od 28 dana. Analizirani su efekti primene H2 na telesnu kompoziciju, kognitivne performanse i kvalitet života povezan sa zdravljem žena (n = 13) starijeg starosnog doba. Inhalacija je sprovedena upotrebom inhalatora koji generi&scaron;e 4% H2. Kognitivna funkcija učesnica ocenjena je pomoću kognitivne skale MMSE i skale za procenu Alchajmerove bolesti (ADAS-Cog). Na osnovu dobijenih rezultata nakon intervencije H2 do&scaron;lo je do statistički značajnog povećanja ukupnih rezultata u vrednostima upitnika MMSE (za 13,7%; P &lt; 0,01). Osim toga, primetno je statistički značajno pobolj&scaron;anje vrednosti ADAS-Cog nakon inhalacije H2, s boljim performansama na testu za prisećanje reči (P &lt; 0,01) i pobolj&scaron;anju u testu prepoznavanja reči (P = 0,01). Dobijeni rezultati oba eksperimenta pokazuju da bi H2 mogao biti efikasan biomedicinski agens za upravljanje složenim stanjima nastalih starenjem, usled metaboličkih i kognitivnih poremaćaja, a u cilju unapređenja kvaliteta života.</p> / <p>Research conducted on molecular hydrogen application are rather new, however the latest scientific discoveries consider molecular hydrogen as a significant agent in biomedicine. Owing to the knowledge on its biological availability and terapeutic potential acquired during the last ten years, an increase in the application of molecular hydrogen (H2) for preventive and terapeutic reasons has been noticed. Aging process is most often accompanied by metabolic disorders, obesity, decline in the quality of life and cognitive functions. Molecular hydrogen (H2) is an efficient means for treating disorders related to metabolic disorders and cognitive functioning in compliance with research conducted so far. In order to assess the effects of molecular hydrogen application on body composition, metabolic profile and quality of life in adult elder women, two experiments were carried out. Within the first procedure, the effects of its application via oral consumption of hydrogen-rich water solution (HRW) were tested during 28 days. The first experimental research was conducted on the sample of middle-aged overweighted women (n = 10), who randomly consumed hydrogen-rich water and placebo. The effects of HRW application at indicators of body composition, hormonal status, mitochondrial functions, quality of life, eating habits, level of physical activity and cardiorespiratory capacities were analized. The treatment with HRW brought about statistically significant changes in female subjects as well as body fat percentage and upper-arm fat index reduction in women consuming H2 (P &lt; 0.05). The treatment with HRW also resulted in statistically significant reduction of triglyceride values in serum of women consuming H2 in comparison to the placebo group (21.3% vs. 6,5%; P = 0.04), while other blood lipids remained stable during this study (P &gt; 0.05). Levels of serum insulin were decreased to 5.4%, while placebo intervention increased the insulin level up to 29.3% (P = 0.01). This also resulted in statistically significant effects in H2 group in comparison to the placebo group when values of maximal oxygen consumption VO2 max (P &le; 0.03), total performance during testing (P = 0.01), and total duration of physical endurance test (P &le; 0.02) are concerned. On the grounds of this research, it might be assumed that H2 can have a positive impact on body structure and insulin resistance, as well as improvement of cardiorespiratory capacities in middle-aged overweighted women. The second experimental procedure referred to the application of molecular hydrogen H2 via inhalation on daily basis, 15 minutes per day over 28 days. The effects of molecular hydrogen application on body composition, cognitive performance and quality of life connected with health of elder women (n = 13) were analized. Inhalation was performed by using inhalator generating 4% of H2. The cognitive function of participants was graded by applying the cognitive MMSE scale, as well as the scale for Alzheimer&#39;s Disease Assessment Scale (ADAS-Cog). On the basis of results obtained&nbsp; upon H2 intervention, a statistically significant increase in total results referring to the values of MMSE test (up to 13.7%; P &lt; 0.01) was recorded. Apart from this, a significant improvement of ADAS-Cog values after H2 inhalation was observed, having better performances when testing word recall (P &lt; 0.01) and word recognition (P = 0.01). The findings of both experiments indicate that H2 might be an efficient biomedical agent for managing complex states caused by aging due to metabolic and cognitive disorders, when aiming at improving quality of life.</p>

Eine Methode zur Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung (engl. time-dependent Schrödinger equation, TDSE) wurde entwickelt, welche das Verhalten der Elektronenbewegung in Molekülen beschreibt, die ultrakurzen, intensiven Laserpulsen ausgesetzt werden. Die zeitabhängigen elektronischen Wellenfunktionen werden durch eine Superposition von feldfreien Eigenzuständen beschrieben, welche auf zwei Weisen berechnet werden. Im ersten Ansatz , welcher auf Zweielektronen-Systeme wie H$_2$ anwendbar ist, werden die voll korrelierten feldfreien Eigenzustände in voller Dimensionalität in einem Konfigurations-Wechselwirkungs Verfahren (engl. configuration interaction, CI) bestimmt, wobei die Einelektron-Basisfunktionen mit B-Splines beschrieben werden. Im zweiten Verfahren, welches sogar auf größere Moleküle anwendbar ist, werden die feldfreien Eigenzustände in der Näherung eines aktiven Elektrons (engl. single active electron, SAE) mit Verwendung der Dichtefunktionaltheorie (DFT) bestimmt. Im Allgemeinen kann die Methode zum Auffinden der zeitabhängigen Lösung in zwei Schritte, dem Auffinden der feldfreien Eigenzustände und einer Zeitpropagation in Abhängigkeit der Laserpuls-Parameter, unterteilt werden. Die Gültigkeit der SAE Näherung ist überprüft und die Ergebnisse für grund und erste angeregte zustand der Wasserstoff-Molekül werden vorgestellt. Die Ergebnisse für einige größere Moleküle innerhalb der SAE Angleichung werden ebenfalls gezeigt. / A method for solving the time-dependent Schrödinger equation (TDSE) describing the electronic motion of the molecules exposed to very short intense laser pulses has been developed. The time-dependent electronic wavefunction is expanded in terms of a superposition of field-free eigenstates. The field-free eigenstates are calculated in two ways. In the first approach, which is applicable to two electron systems like hydrogen molecule, fully correlated field-free eigenstates are obtained in complete dimensionality using configuration-interaction calculation where the one-electron basis functions are built from B-splines. In the second approach, which is even applicable to larger molecules, the field-free eigenstates are calculated within the single-active-electron (SAE) approximation using density functional theory. In general, the method can be divided into two parts, in the first part the field-free eigenstates are calculated and then in the second part a time propagation for the laser pulse parameters is performed. Using these methods the validity of SAE approximation is tested and the results for the ground and first excited state of hydrogen molecule are presented. The results for some larger molecules within the SAE approximation are also shown.

Ein neuer numerischer ab initio Ansatz wurde entwickelt und zur Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung für zweiatomig Moleküle mit zwei Elektronen (z.B. molekularer Wasserstoff), welche einem intensiven kurzen Laserpuls ausgesetzt sind, angewandt. Die Methode basiert auf der Näherung fester Kernabstände und der nicht-relativistischen Dipolnäherung und beabsichtigt die genaue Beschreibung der beiden korrelierten Elektronen in voller Dimensionalität. Die Methode ist anwendbar für eine große Bandbreite von Laserpulsparamtern und ist in der Lage, Einfachionisationsprozesse sowohl mit wenigen als auch mit vielen Photonen zu beschreiben, sogar im nicht-störungstheoretischen Bereich. Ein entscheidender Vorteil der Methode ist ihre Fähigkeit, die Reaktion von Molekülen mit beliebiger Orientierung der molekularen Achse im Bezug auf das linear polarisierte Laserfeld in starken Feldern zu beschreiben. Dementsprechend berichtet diese Arbeit von der ersten erfolgreichen orientierungsabhängigen Analyse der Multiphotonenionisation von H2, welche mit Hilfe einer numerischen Behandlung in voller Dimensionalität durchgeführt wurde. Neben der Erforschung des Bereichs weniger Photonen wurde eine ausführliche numerische Untersuchung der Ionisation durch ultrakurze frequenzverdoppelte Titan:Saphir-Laserpulse (400 nm) präsentiert. Mit Hilfe einer Serie von Rechnungen für verschiedene Kernabstände wurden die totalen Ionisationsausbeuten für H2 und D2 in ihren Vibrationsgrundzuständen sowohl für parallele als auch für senkrechte Ausrichtung erhalten. Eine weitere Serie von Rechnungen für 800nm Laserpulse wurde benutzt, um ein weitverbreitetes einfaches Interferenzmodel zu falsifizieren. Neben der Diskussion der numerischen ab initio Methode werden in dieser Arbeit verschiedene Aspekte im Bezug auf die Anwendung der Starkfeldnäherung für die Erforschung der Reaktion eines atomaren oder molekularen Systems auf ein intensives Laserfeld betrachtet. / A novel ab initio numerical approach is developed and applied that solves the time-dependent Schrödinger equation describing two-electron diatomic molecules (e.g. molecular hydrogen) exposed to an intense ultrashort laser pulse. The method is based on the fixed-nuclei and the non-relativistic dipole approximations and aims to accurately describe both correlated electrons in full dimensionality. The method is applicable for a wide range of the laser pulse parameters and is able to describe both few-photon and many-photon single ionization processes, also in a non-perturbative regime. A key advantage of the method is its ability to treat the strong-field response of the molecules with arbitrary orientation of the molecular axis with respect to the linear-polarized laser field. Thus, this work reports on the first successful orientation-dependent analysis of the multiphoton ionization of H2 performed by means of a full-dimensional numerical treatment. Besides the investigation of few-photon regime, an extensive numerical study of the ionization by ultrashort frequency-doubled Ti:sapphire laser pulses (400 nm) is presented. Performing a series of calculations for different internuclear separations, the total ionization yields of H2 and D2 in their ground vibrational states are obtained for both parallel and perpendicular orientations. A series of calculations for 800nm laser pulses are used to test a popular simple interference model. Besides the discussion of the ab initio numerical method, this work considers different aspects related to the application of the strong-field approximation (SFA) for investigation of a strong-field response of an atomic and molecular system. Thus, a deep analysis of the gauge problem of SFA is performed and the quasistatic limit of the velocity-gauge SFA ionization rates is derived. The applications of the length gauge SFA are examined and a recently proposed generalized Keldysh theory is criticized.

Das Ionisierungsverhalten kleiner Moleküle (insbesondere H2 und NH3) in intensiven, ultrakurzen Laserfeldern wird theoretisch untersucht. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem Einfluss der Kerndynamik. Zunächst wird das Ionisierungsverhalten des H2-Moleküls bei eingefrorener Kernschwingung untersucht. Bereits im Rahmen dieser Näherung kann im Mehrphotonenregime ein zuvor beobachteter Zusammenbruch der Näherung im Gleichgewichtsabstand festgehaltener Kerne erklärt werden. Weiterhin wird der Übergang vom Mehrphotonen zum quasistatischen Ionisierungsregime für 800-nm-Laserfelder untersucht. Eine neuartige Methode zur Beschreibung der korrelierten Schwingungs- und Elektronendynamik des H2-Moleküls (7D) wird entwickelt. Mit dieser Methode wird schließlich der Einfluss der Kernbewegung während des Laserfeldes auf das Ionisierungsverhalten untersucht. Es wird ein sichtbarer Einfluss auf den zuvor diskutierten Zusammenbruch der Näherung festgehaltener Kerne beobachtet. Dies gilt ebenfalls für einen vor kurzem experimentell beobachteten Isotopeneffekt in der Ionisierung der Moleküle H2 vs. D2 untersucht. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Ionisierungsverhalten des NH3-Moleküls untersucht. Die Möglichkeit, die Kerngeometrieabhängigkeit zur Erzeugung und Messung von Schwingungswellenpaketen im neutralen NH3-Molekül mittels Lochfraß auszunutzen, wird untersucht. Das erwartete Schwingungsverhalten und die dafür optimalen Laserparameter werden aufgezeigt. Zusätzlich wird die Möglichkeit des Filmens eines tunnelnden Kernwellenpakets im Doppelmuldenpotential entlang der Schwingungskoordinate untersucht. In der Tat sollte die Verwendung extrem kurzer Laserfelder das Drehen eines Echtzeit-Filmes dieses quantenmechanischen Tunnelprozesses ermöglichen. Abschließend werden die Winkelabhängigkeit der Ionisierungswahrscheinlichkeit von NH3 (ähnelt Orbitalgeometrie) sowie elliptisch polarisierte Laserfelder untersucht. / The ionization behavior of small molecules (especially H2 and NH3) exposed to intense, ultrashort laser fields is investigated theoretically. The focus lies on the influence of nuclear dynamics on this ionization behavior. The ionization behavior of the H2 molecule is first examined within the frozen-nuclei approximation. A previously reported pronounced breakdown of the fixed-nuclei approximation can be explained already within this level of approximation. Furthermore, the transition from the multiphoton to the quasistatic ionization regime is studied for 800 nm laser pulses. A novel approach for the correlated description of the electronic-vibrational motion of the H2 molecule (7D) is developed. The influence of vibrational dynamics during the laser field on the ionization behavior is investigated using this method. A pronounced difference on the previously discussed breakdown of the fixed-nuclei approximation is observed. The vibrational dynamics also lead to a notable change for a recently experimentally observed isotope effect in the ionization of the molecular isotopes H2 vs. D2. The ionization behavior of the NH3 molecule is studied in the second part of this thesis. The possibility to exploit the geometry dependence of the ionization yield in order to create and measure vibrational wave packets in the neutral NH3 molecule via Lochfraß is explored. The expected vibrational dynamics and the optimal laser parameters to observe this effect are demonstrated. Furthermore, the possibility to shoot a "movie" of a tunneling wave packet in the double-well potential along the vibrational coordinate is investigated. Indeed, extremely short laser fields should allow creating a real-time movie of the quantum-mechanical tunneling process. Finally, the orientation dependence of the ionization yield of the NH3 molecule (reflecting the orbital shape) and elliptically polarized laser fields are studied.

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.

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.

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.