Amostras de aço AISI H13 foram nitretadas utilizando uma fonte DC por 5 horas, em atmosfera de 80%N2/20%H2, em duas densidades de corrente (alta e baixa) e em diferentes temperaturas. As fases formadas nas amostras nitretadas foram correlacionadas com o comportamento do coeficiente de atrito, do desgaste e da dureza. As intensidades de emissão luminescente relacionadas aos íons N2+ e moléculas N2 no plasma foram medidas e observou-se que são maiores nas condições em que as densidades de corrente também são maiores. Como esperado de resultados da literatura, quanto maior a temperatura de nitretação maior é a espessura das camadas nitretadas. Foi observado que em temperaturas iguais, maiores densidades de corrente provocam a formação de camadas de compostos mais espessas. As amostras foram analisadas usando difração de raios X por incidência rasante, espectroscopia Mössbauer de conversão de elétrons, análise por reação nuclear, espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente, microscopia eletrônica de varredura, análise por microssonda eletrônica e perfilometria. As amostras foram testadas em um ultramicrodurômetro e em um tribômetro do tipo pino-sobre-disco. Análises Rietveld foram aplicadas aos difratogramas do material massivo e da zona de difusão para discriminar entre as fases ferrita e martensita. A composição de fases das amostras nitretadas utilizando diferentes parâmetros mostraram a presença de diferentes fases contendo nitrogênio (e, y' e martensita ∝'-Fe(N)) e carbono (martensita ∝' -Fe(C) e cementita). Na maior temperatura usada neste trabalho, a quantidade relativa das fases e e y' mostrou dependência da densidade de corrente. A correlação entre o conteúdo das fases e as propriedades mecânicas e tribológicas mostrou que nas amostras onde a segregação de carbono foi associada com a formação de cementita, o coeficiente de fricção foi menor do que nas regiões onde as fases e ,y' e martensita foram observadas. Nas amostras com maior conteúdo de martensita e menos e e y', o desgaste foi menor. A distribuição em profundidade da dureza e do conteúdo de martensita y' Fe(N) apresentaram o mesmo comportamento. / AISI H13 steel samples were nitrided using a DC source for 5 hours, under 80% N2/20% H2 atmosphere, at two current densities (high and low), and different temperatures. The phase content on the plasma nitrided samples was correlated to coefficient of friction, wear, and hardness. The plasma emissions were measured and it was observed that the intensity of N2+ ions and N2 molecules was higher at high current density. As expected from previous results in the literature, higher nitriding temperatures resulted in thicker layers. It was observed that at the same temperatures, higher current densities induced thicker compound layers as well. The samples were analysed with grazing incidence x-ray diffraction, conversion electron Mössbauer spectroscopy, nuclear reaction analysis, glow discharge optical emission spectroscopy, scanning electron microscopy, electron microprobe analysis, and perfilometry, and were tested in an ultramicrohardness tester and on a pin-on-disc tribometer. Rietveld analysis was applied to discriminate between ferrite and martensite in the diffraction patterns of the bulk samples and of the diffusion zone. The phase composition of the nitrided samples with different parameters showed the presence of different phases containing nitrogen (e, y', and martensite) and cementite. At the highest temperature used in this work, the relative amount of the phases e and y'showed a dependency on the current density. The correlation of the phase content with the mechanical and tribological properties showed that in samples with carbon segregation and formation of cementite, the friction coefficient was lower than in in regions where the phases e, y', and martensite were observed. In the samples with higher martensite content and less e,y' the mechanical wear was lower. Hardness presented the same trend as the content of martensite ∝'-Fe(N) in the depth profile.

A reação 10B+120Sn foi medida no Laboratório Aberto de Física Nuclear (LAFN) do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, em energias próximas a barreira coulombiana (VB = 35 MeV). Distribuições angulares de espalhamento elástico e inelástico foram obtidas, e o canal de transferência de um nêutron do alvo para o projétil foi identificado. Além disso, foram feitas medidas utilizando a técnica de detecção em coincidências gamma-partícula no espectrômetro Saci-Perere (Sistema Ancilar de Cintiladores e Pequeno Espectrômetro de Radiação Eletromagnética com Rejeição de Espalhamento). Tais medidas possibilitaram a identificação do processo de fusão completa, a partir da detecção dos raios-gamma provenientes do núcleo composto 127Cs, formado pela absorção de toda carga do projétil pelo alvo, seguido da evaporação de nêutrons. Eventos relacionados ao processo de fusão incompleta, originados da quebra do projétil 10B, também foram identificados. Uma descrição teórica dos principais resultados experimentais foi realizada dentro do formalismo de canais acoplados, utilizando o potencial de São Paulo para descrever a parte real da interação nuclear entre os núcleos participantes da reação. / The 10B+120Sn reaction was measured at the \"Laboratório Aberto de Física Nuclear\" (LAFN, acronym in Portuguese) of the \"Instituto de Física da Universidade de São Paulo\", at energies around the Coulomb barrier (VB = 35 MeV). Angular distribuitions for the elastic and inelastic scattering were obtained, and the transfer channel of a neutron from the target to the projectile was also identified. Besides that, another set of measurements were carried out using the gamma-particle coincidence techinique with the ancillary system of scintillators and gamma-ray detectors Saci-Perere (acronym of \"Sistema Ancilar de Cintiladores e Pequeno Espectrômetro de Radiação Eletromagnética com Rejeição de Espalhamento\"). Such measurements have allowed the identification of the complete fusion process through the detection of gamma-rays coming from the compound nuclei 127Cs, formed by the absorption of the total projectile charge by the target, followed by the evaporation of neutrons. Events related to the incomplete fusion process, originated from the breakup of 10B, were also identified. A theoretical description of the main experimental results has been performed within the coupled channel formalism, using the São Paulo potential to represent the real part of the nuclear interaction between the two reacting nuclei.

Amostras de aço AISI H13 foram nitretadas utilizando uma fonte DC por 5 horas, em atmosfera de 80%N2/20%H2, em duas densidades de corrente (alta e baixa) e em diferentes temperaturas. As fases formadas nas amostras nitretadas foram correlacionadas com o comportamento do coeficiente de atrito, do desgaste e da dureza. As intensidades de emissão luminescente relacionadas aos íons N2+ e moléculas N2 no plasma foram medidas e observou-se que são maiores nas condições em que as densidades de corrente também são maiores. Como esperado de resultados da literatura, quanto maior a temperatura de nitretação maior é a espessura das camadas nitretadas. Foi observado que em temperaturas iguais, maiores densidades de corrente provocam a formação de camadas de compostos mais espessas. As amostras foram analisadas usando difração de raios X por incidência rasante, espectroscopia Mössbauer de conversão de elétrons, análise por reação nuclear, espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente, microscopia eletrônica de varredura, análise por microssonda eletrônica e perfilometria. As amostras foram testadas em um ultramicrodurômetro e em um tribômetro do tipo pino-sobre-disco. Análises Rietveld foram aplicadas aos difratogramas do material massivo e da zona de difusão para discriminar entre as fases ferrita e martensita. A composição de fases das amostras nitretadas utilizando diferentes parâmetros mostraram a presença de diferentes fases contendo nitrogênio (e, y' e martensita ∝'-Fe(N)) e carbono (martensita ∝' -Fe(C) e cementita). Na maior temperatura usada neste trabalho, a quantidade relativa das fases e e y' mostrou dependência da densidade de corrente. A correlação entre o conteúdo das fases e as propriedades mecânicas e tribológicas mostrou que nas amostras onde a segregação de carbono foi associada com a formação de cementita, o coeficiente de fricção foi menor do que nas regiões onde as fases e ,y' e martensita foram observadas. Nas amostras com maior conteúdo de martensita e menos e e y', o desgaste foi menor. A distribuição em profundidade da dureza e do conteúdo de martensita y' Fe(N) apresentaram o mesmo comportamento. / AISI H13 steel samples were nitrided using a DC source for 5 hours, under 80% N2/20% H2 atmosphere, at two current densities (high and low), and different temperatures. The phase content on the plasma nitrided samples was correlated to coefficient of friction, wear, and hardness. The plasma emissions were measured and it was observed that the intensity of N2+ ions and N2 molecules was higher at high current density. As expected from previous results in the literature, higher nitriding temperatures resulted in thicker layers. It was observed that at the same temperatures, higher current densities induced thicker compound layers as well. The samples were analysed with grazing incidence x-ray diffraction, conversion electron Mössbauer spectroscopy, nuclear reaction analysis, glow discharge optical emission spectroscopy, scanning electron microscopy, electron microprobe analysis, and perfilometry, and were tested in an ultramicrohardness tester and on a pin-on-disc tribometer. Rietveld analysis was applied to discriminate between ferrite and martensite in the diffraction patterns of the bulk samples and of the diffusion zone. The phase composition of the nitrided samples with different parameters showed the presence of different phases containing nitrogen (e, y', and martensite) and cementite. At the highest temperature used in this work, the relative amount of the phases e and y'showed a dependency on the current density. The correlation of the phase content with the mechanical and tribological properties showed that in samples with carbon segregation and formation of cementite, the friction coefficient was lower than in in regions where the phases e, y', and martensite were observed. In the samples with higher martensite content and less e,y' the mechanical wear was lower. Hardness presented the same trend as the content of martensite ∝'-Fe(N) in the depth profile.

Este trabalho apresenta e consolida uma metodologia alternativa para a determinação de taxas de reação nuclear ao longo da direção radial das pastilhas combustíveis sem necessidade de intensos fluxos neutrônicos. Esta técnica se baseia na irradiação de um disco de UO2 inserido no interior de uma vareta combustível desmontável no núcleo do reator IPEN/MB-01. Após a irradiação são realizadas várias espectrometrias gama do disco utilizando um detector HPGe alternando sequencialmente 6 colimadores de chumbo com diâmetros diferentes. Consequentemente, as reações nucleares de captura radiativa que ocorrem nos átomos de 238U, juntamente com as fissões que ocorrem em ambos 235U e 238U são mensuradas em função de 6 regiões radiais distintas do disco combustível. As correções de eficiência geométrica devido à introdução dos colimadores no sistema de detecção HPGe são determinadas através do código MCNP-5. As medidas de taxa de fissão são realizadas utilizando o 99Mo como radionuclídeo traçador. Esse radionuclídeo foi estudado e provou-se ideal para estas medidas por possuir um comportamento linear de formação, alto rendimento de fissão e principalmente por emitir fótons de baixa energia. As medidas foram efetuadas irradiando discos de UO2 (com enriquecimento de 4,3%) na posição central do reator IPEN/MB-01 a potência de 100 Watts durante uma hora. Algumas medidas foram realizadas utilizando uma luva de cádmio envolta na vareta combustível para determinar as taxas de reação nuclear na faixa de energia epitérmica. Os resultados experimentais obtidos são comparados a cálculos de taxa de reação nuclear via MCNP-5 utilizando a biblioteca de dados ENDF/B-VII.0, os quais apresentaram discrepâncias de no máximo 9% para as taxas de captura no 238U e 14% para as taxas de fissão no U na faixa epitérmica. Foram obtidos valores máximos de 4,5% para incertezas relativas as taxas de captura total e epitérmica e para as taxas de fissão total e epitérmica valores máximos de 11,3%. / This research presents and consolidates an alternative methodology for determining nuclear reaction rates along the radial direction of the fuel pellets which does not require high neutron flux. This technique is based on irradiating a thin UO2 disk inserted into a removable fuel rod at the IPEN/MB-01 reactor core. Several gamma spectrometries are performed after irradiation using a HPGe detector. Six lead collimators with different diameters are sequentially alternated during this process, thus, the nuclear radioactive capture which occurs in 238U and the fissions which occur in both 235U and 238U are measured according to six different radial regions of the fuel disk. Geometric efficiency corrections due to the introduction of collimators in HPGe detection system are determined by MCNP-5 code. The fission rate measurements are performed using the 99Mo. This radionuclide was studied and proved ideal for these measurements because it is formed in linear behavior in the reactor core, have a high yield fission and emits low-energy photons. Measurements were performed irradiating UO2 disks (with 4.3% enrichment) in the central position of the IPEN/MB-01 core at 100 watts power level during one hour. Some measurements were performed using a cadmium glove wrapped in the fuel rod to determine the nuclear reaction rates in the epithermal energy range. The experimental results obtained are compared with nuclear reaction rate calculations by means of MCNP-5 with ENDF/B-VII.0 data library showing discrepancies of up to 9% in 238U capture rates and 14% for U fission rates for epithermal energies. Uncertainties regarding the nuclear capture rates have maximum values of 4.5% and the fission rates has maximum values of 11.3%.

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.