Estudo de difusão de impurezas introduzidas por implantação iônica em polímeros

No presente trabalho estudamos de forma sistemática a difusão de impurezas em filmes poliméricos usando as técnicas de implantação iônica e análise por feixe de íons, retroespalhamento Rutherford e de perfil de profundidade por nêutrons. Com este propósito foram implantadas e realizadas medidas em diferentes intervalos de temperatura para diferentes sistemas como (Au, Ag) no fotoresiste AZ1350, (Bi, Eu, Er, B) no fotoresiste S1813 e (Xe, Kr) no termoplástico Poliestireno. Como resultado mostrou-se que para implantações em baixas energias e fluências Au, Ag seguem uma difusão regular. Os valores obtidos para os parâmetros de difusão são semelhantes indicando assim um mecanismo de difusão verdadeiramente atômico. É mostrado também que com o aumento da fluência, devido aos danos gerados pelo processo de implantação, átomos são aprisionados na região implantada levando a um mecanismo de difusão por aprisionamento e liberação. Contudo, mostrou-se que a energia de ativação indica que este processo de difusão ainda é de caráter atômico. Da análise dos valores de D observamos um efeito de massa associado onde D(T)Au < D(T)Ag, pois a massa de Ag é duas vezes menor que a de Au. Para os elementos como Bi, Eu e Er, considerados quimicamente mais ativos que Au, não foram observados efeitos de possíveis ligações químicas nestes sistemas. Valores de energia de ativação de Bi apresentaram-se próximos aos de Au para as fluências de implantação aplicadas, o mesmo ocorrendo para a difusão de Er e Eu. O B mostrou que depois de implantado difunde durante ou imediatamente após a implantação. Difusão esta dada na presença de armadilhas saturáveis induzidas por radiação, indo além da difusão térmica, por ordem de magnitude de ≈10-12, contra ≈10-13 cm2s-1, respectivamente. Quanto a Xe e Kr, observou-se que estes também difundem durante ou imediatamente após a implantação, e que a fração do gás retido no pico depende da fluência implantada. Implantações em baixa temperatura (80 K) e posteriores análises foram determinados in situ por RBS na faixa de 80 a 300 K. Verificou-se que a difusão segue um perfil regular. Em cada caso mostrou-se que a dependência dos valores de D como função da temperatura segue um comportamento tipo Arrhenius, com valores de energia de ativação para os metais (Au, Ag, Bi) entre 580 e 680 meV, para os lantanídeos (Er, Eu) valores entre 525 a 530 meV, para o semi-metal (B) 100 meV, e finalmente para os gases nobres Kr e Xe entre 40 e 67 meV.

Formação e estabilidade térmica de nanocavidades produzidas pela implantação de He em Si

Nesta tese são apresentados os resultados de um estudo sistemático à respeito da formação e evolução térmica de nanocavidades de He em Si cristalino. O efeito da formação de nanocavidades de He no aprisionamento de impurezas em Si foi estudado inicialmente em distintas condições de fluência, temperatura e direção de implantação. Após as implantações, as amostras foram tratadas termicamente a 800°C e analisadas por espectroscopia de retroespalhamento Rutherford em condição de canalização (RBS/C), análise de detecção por recuo elástico (ERDA), espectroscopia por emissão de íons secundários (SIMS) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Os resultados experimentais mostraram que implantações de He a temperatura ambiente (Ti=Tamb) levam à formação de defeitos numa região intermediária entre a superfície e a camada onde as bolhas se formam (Rp/2), sendo 5x1015He+cm-2 a fluência mínima para a observação do fenômeno. Sua origem foi atribuída à formação de pequenas cavidades nesta região. O mesmo não é observado em implantações a Ti=350°C devido ao efeito do recozimento dinâmico dos defeitos. Estes resultados mostraram a necessidade de um estudo mais profundo a respeito dos efeitos da temperatura de implantação (Ti) na formação de bolhas em Si. Este estudo foi feito a partir de implantações de He no intervalo de temperatura entre -196°C e 350°C, sendo a fluência e a energia de implantação de 2x1016He+cm-2 e 40keV respectivamente. O efeito da proximidade à superfície foi estudado com implantações a 15keV. As amostras foram analisadas pelas mesmas técnicas referidas anteriormente. Para o caso de implantações feitas a 40keV com TiTamb pequenas bolhas são formadas durante a implantação juntamente com defeitos estendidos do tipo {311}. A formação destes defeitos é atribuida ao mecanismo de formação das bolhas baseado na emissão de átomos auto-intersticiais de Si. Distintos regimes são observados após recozimento entre 400°C e 800°C por 600s. Para Ti≤250°C observa-se a dissolução do sistema de cavidades e defeitos devido à interação mutua entre os sistemas. Para Ti>250°C cavidades esféricas e anéis de discordância são observados após recozimentos a 800°C. Finalmente, se observou que a energia de implantação (15keV) não afeta a morfologia do sistema de bolhas e defeitos formados. Porém a perda de He é cinco vezes menor que no caso de amostras implantadas a 40 keV na mesma fluência. Um mecanismo baseado na difusão aumentada por danos de irradiação é sugerido neste trabalho.

Estudos eletroquímicos de permeação de hidrogênio e determinação de concentrações críticas de hidrogênio em um aço de alta dureza

Estudou-se, através do método eletroquímico de permeação, a difusão de hidrogênio no ferro puro e no aço DIN 90MnV8. Observou-se nestes materiais, que o coeficiente aparente de difusão de hidrogênio diminui no decorrer dos transientes de permeação, tendo-se interpretado este comportamento como causado pela presença de armadilhas reversíveis. Deduziu-se, para transientes de permeação obtidos entre dois estados estacionários de difusão, que a variação da concentração de hidrogênio preso a armadilhas reversiveis é dada por: Delta Ca = Na. In [(1+alfa)1/2 dividido por (1+beta)1/2], alfa = K.Co/p beta=K.Cl/p sendo Na a densidade de armadilhas; k e p, os parâmetros de captura e de liberação de uma armadilha e Co e Cl, a concentrasão inicial e final de H. Mediu-se, no ferro recozido, um coeficiente médio de difusão de hidrogênio de 6,4.10-5 cm²/s. A deformação com 50% de trabalho a frio no ferro reduz este valor em aproximadamente uma ordem de grandeza. Verificou-se no aço DIN 90MnV8 que o coeficiente de difusão de hidrogênio aumenta com o aumento dn temperatura de revenimento após a têmpera, atingindo o valor máximo de 7,0.10-6 cm²/s no aço esferoidizado. A dependência térmica do coeficiente de difusão no aço DIN 90MnV8 esferoidizado pode ser expressa por: D = 1,95 (+0,49) exp (-30,43kJ/mol.R.T.) (cm²/s) e neste mesmo aço temperado e revenido com 55RC de dureza por : D=0,29 (+- 0,05 ) exp (-28,47kJ/mol.R.T.) ( cm²/s). Uma nova metodolagia fractomecânica foi introduzida, a qual permite a determinação da cnncentração crítica de hidrogênio necessária para provocar o avanço de uma trinca estacionária. Observou-se no aço DIN 9OMnV8, que a concentração crítica de hidrogênio diminui com o aumento da dureza do aço e é menor quando um valor maior de KI é aplicado. O modo de fratura apresentado Por este aço revelou ser independente da concentração de hidrogênio e do valor de KI, sendo função unicamente de sua dureza.

Solução de um problema não linear do tipo reação-difusão na modelagem dispersão de insetos

Neste trabalho tratamos da solução de um problema não linear do tipo tração-difusão, na modelagem de dispersão de insetos. Começamos estabelecendo uma lei de conservação e a partir desta, deduzimos algumas equações importantes para o desenvolvimento do nosso estudo, tais como a equação de convecção, de difusão e simultaneamente convecção e difusão. Se considerarmos uma escala de tempo que possibilite a adição ou retirada de indivíduos no meio, conforme seja considerada reprodução, migração ou morte, podemos acrescentar ao processo difusivo um termo de reação, obtendo então, a equação do tipo reação-difusão. Se o temp de reação for deendendee da densidade populacional e do tipo logístico, obtém-se a equação de Fischer. Dessa equação abordamos alguns aspectos, tais como, determinação dos estados estacionários, análise da estabillidade dos mesmos, representação gráfica no plano de fase e por último investigamos a existência de solução do tipo onda viajante. Abordamos, também, alguns exemplos apresentados na literatura, envolvendo equação da difusão com coeficiente constante e com coeficiente dependente da densidade populacional. Além disso, apresentamos o resultados obtidos com a modelagem em tempo discreto, a partir de um trabalho experimental com besouros marcados para o experimento e depois liberados Banks et al (1985) , em que os autores admitiram uma variação temporal e a partir dos dados obtidos fizeram uma estimativa para o coeficiente de difusão D (t), bem como para o coeficiente de decaimento α(t) do termo de reação linear em u. Construimos curvas que se ajustam a essas alternativas e apresentamos esses coeficientes em versão continua D (t) e α(t), dependentes da variável tempo t. Através de uma abordagem numérica, os modelos foram comparadas da variável tempo t. Através de uma abordagem numérica, os modelos foram comparados para diversos casos, usando diferentes combinação de D constante e D variando no tempo, a constante e a variando no tempo. Além disso, analisamos tambén, o efeito da substituição do coeficiente de difusão D constante por D(t) na equação de Fisher.

Influência de bolhas de hélio e da microestrutura sobre a evolução térmica de filmes de alumínio implantados com cobre

Este trabalho apresenta os resultados de um estudo sistemático sobre as influências do tamanho de grão de filmes finos de Al e da implantação de íons de He sobre a evolução térmica de distribuições de átomos de Cu e formação de precipitados de Al-Cu. Filmes finos de Al depositados sobre substrato de SiO2/Si através de dois processos diferentes foram implantados com íons de Cu+ e He+ produzindo uma solução sólida supersaturada de Al-Cu (≈ 2,5 a 3,5 at. %) e nano-bolhas de He. Os valores de energia dos íons foram escolhidos de tal forma a produzirem uma camada rica em Cu e He na região a aproximadamente 100nm da superfície. Tais filmes foram tratados termicamente em alto-vácuo nas temperaturas de 200ºC e 280ºC por tempos de 0,5h e 2h. Os filmes foram analisados por Retroespalhamento Rutherford, para determinação do perfil de concentração dos átomos de Cu, e por Microscopia Eletrônica de Transmissão, para determinação da microestrutura do Al e dos sistemas de nano-partículas Al-Cu e Al-He. Os resultados experimentais mostraram que a evolução térmica da distribuição dos átomos de Cu e a formação de precipitados de Al-Cu são significativamente afetadas pela configuração e tamanho de grão do filme de Al e pelas implantações de He. O presente estudo mostrou que existe uma forte correlação entre o fluxo de vacâncias e a estabilidade da microestrutura de filmes finos de Al (Al/SiO2/Si) implantados com íons de Cu+ e He+ e tratados termicamente. A possibilidade de controlar os fluxos de vacâncias através de configurações da microestrutura dos filmes de Al é, portanto, um tema de grande interesse tecnológico relacionado a durabilidade das interconexões metálicas de dispositivos microeletrônicos.

Análise e simulação de um sistema de equações químicas do tipo difusão-reação

Neste trabalho estudamos um sistema de equações diferenciais parabólicas que modelam um processo de difusão-reação em duas dimensões da mistura molecular e reação química irreverssível de um só passo entre duas espécies químicas A e B para formar um produto P. Apresentamos resultados analíticos e computacionais relacionados à existência e unicidade da solução, assim como estimativas do erro local e global utilizando elementos finitos. Para os resultados analíticos usamos a teoria de semigrupos e o principio do m´aximo, e a simulação numérica é feita usando diferenças finitas centrais e o esquema simplificado de Ruge-Kutta. As estimativas do erro local para o problema semi-discretizado são estabelecidas usando normas de Sobolev, e para estimar o erro global usamos shadowing finito a posteriori. Os resultados computacionais obtidos mostram que o comportamento da solução está dentro do esperado e concorda com resultados da referências. Assim mesmo as estimativas do erro local e global são obtidas para pequenos intervalos de tempo e assumindo suficiente regularidade sobre a velocidade do fluído no qual realiza-se o processo. Destacamos que a estimativa do erro global usando shadowing finito é obtida sob hipóteses a posteriori sobre o operador do problema e o forte controle da velocidade numa vizinhança suficientemente pequena.

Reação-difusão com difusividade variável para oxidação de silício

Neste trabalho, propomos uma modificação do modelo de reação-difusão (R. M. C. de Almeida et al., Physics Review B, 61, 19 (2000)) incluindo difusividade variável com o objetivo principal de predizer, ou no mínimo descrever melhor, o crescimento de oxido de Si no regime de filmes nos. Estudamos o modelo reação-difusão a coeficiente de difusão, D, fixo e D variável. Estudamos extensivamente o modelo reação-difusão com D fixo caracterizando seu comportamento geral, e resolvendo numericamente o modelo com D variável para um intervalo amplo de relações DSiO2=DSi. Ambos casos apresentam comportamento assintótico parabólico das cinéticas. Obtivemos as equações analíticas que regem o regime assintótico de tais casos. Ambos os modelos apresentam interface não abrupta. Comparações das cinéticas com o modelo linear-parabólico e com dados experimentais foram feitas, e também para as espessuras da interface. Contudo nenhum dos dois modelos de reação-difusãao, com D fixo e com D varáavel, podem explicar a região de filmes nos, que possui taxa de crescimento superior a taxa de crescimento da região assintótica. Porém, ao incluir taxa de reação variável dentro do modelo de reação-difusão com D variável, este aponta para uma solução do regime de filmes nos.

Influência da adição de sílica ativa, relação água/aglomerante, temperatura e tempo de cura no coeficiente de difusão de cloretos em concretos

Devido aos elevados custos com manutenção e reparo de estruturas de concreto armado, há uma preocupação crescente com sua durabilidade. Entre os principais agentes de degradação da estrutura por corrosão de armadura encontra-se o íon cloreto, que pode ser incorporado ao concreto ou difundir-se através da camada de cobrimento até a armadura. Neste caso é importante que o concreto dificulte ou impeça a penetração do agente agressivo até a armadura, adequando-se às condições de permeabilidade necessárias ao material. Existem diversas formas de alterar a estrutura interna do concreto e, conseqüentemente, a difusão de cloretos para o seu interior. Este trabalho refere-se ao estudo do comportamento da difusão de cloretos em diferentes concretos variando a relação água/aglomerante, teor de adição de sílica ativa, temperatura e tempo de cura. Desta forma utilizou-se o ensaio acelerado de penetração de cloretos (ASTM C 1202) e migração de cloretos (ANDRADE, 1993), avaliando os concretos quanto à resistência à penetração de íons. Os resultados indicaram que a difusão de cloretos diminui em até 70% com o decréscimo da relação água/aglomerante de 0,75 para 0,28, em até 60% com o aumento do teor de sílica ativa utilizado (até 20%), e reduz em até 50% com o aumento da temperatura de exposição (5o C para 40o C) durante a cura e com a evolução da idade avaliada de 7 a 91 dias.

Filmes finos dielétricos para dispositivos microeletrônicos avançados

Apresentamos mecanismos de formação e de degradação térmica de filmes fi- nos (espessura da ordem de 10 nm) de diferentes dielétricos sobre substrato de silício monocristalino. Tendo em vista a aplicação dessas estruturas em MOSFETs (transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor), estudamos o consagrado óxido de silício (SiO2), os atuais substitutos oxinitretos de silício (SiOxNy) e o possível substituto futuro óxido de alumínio (Al2O3). Nossos resultados experimentais baseiam-se em técnicas preparativas de substituição isotópica e de caracterização física com feixes de íons (análise com reações nucleares) ou raios- X (espectroscopia de fotoelétrons). Observamos que: (a) átomos de silício não apresentam difusão de longo alcance (além de ~ 2 nm) durante o crescimento de SiO2 por oxidação térmica do silício em O2; (b) nitretação hipertérmica é capaz de produzir filmes finos de oxinitreto de silício com até dez vezes mais nitrogênio que o resultante do processamento térmico usual, sendo que esse nitrogênio tende a se acumular na interface SiOxNy/Si; e (c) átomos de oxigênio, alumínio e silício migram e promovem reações químicas durante o recozimento térmico de estruturas Al2O3/SiO2/Si em presença de O2. Desenvolvemos um modelo de difusão-reação que poderá vir a permitir o estabelecimento de condições ótimas de processamento térmico para filmes finos de Al2O3 sobre silício a serem empregados na fabricação de MOSFETs.

Avaliação do coeficiente de difusão de cloretos em concretos : influência do tipo de cimento, da relação a/c, da temperatura e do tempo de cura

É consenso mundial a importância de estudos sobre a penetração de cloretos nos concretos, devido ao caráter deletério destes íons quanto à corrosão das armaduras. Quando os íons cloretos ingressam no concreto em quantidade suficiente causam a despassivação e a corrosão das armaduras, conduzindo à diminuição da vida útil das estruturas. Os cloretos podem ser introduzidos no concreto de várias maneiras: como aditivo, pela contaminação da água ou da areia, ou podem ingressar provindos do meio externo. Os cloretos potencialmente agressivos geralmente penetram na estrutura dissolvidos em água, através dos mecanismos de penetração de água e transporte de íons, sendo um dos mecanismos que ocorrem com maior freqüência a difusão. Este mecanismo de penetração de íons cloretos nas estruturas de concreto armado é influenciado pela relação água/aglomerante, o tipo de cimento, a presença de adições, a cura, o tempo, a temperatura de exposição, dentre outros, e seus valores ainda podem ser utilizados em modelos matemáticos para previsão de vida útil. Assim, este trabalho objetiva avaliar o coeficiente de difusão de cloretos em concretos confeccionados com dois tipos diferentes de cimento (CP II F e CP IV), cinco distintas relações água/cimento (0,28, 0,35, 0,45, 0,60 e 0,75), cinco temperaturas de cura (5, 15, 25, 30 e 40°C) e cinco diferentes idades (7, 14, 28, 63 e 91 dias). Paralelamente foram realizados ensaios de resistência à compressão axial e penetração acelerada de cloretos. A metodologia utilizada permitiu avaliar e medir os coeficientes de difusão de cloretos nos concretos confeccionados, tendo sido observados que os coeficientes diminuem com a elevação da temperatura de cura e da idade, com o uso do cimento CP IV e com a redução da relação água/cimento.

Avaliação da utilização de transdutores magnéticos para determinação de cementação em ligas HP40

Ligas da classe HP40 e similares são empregados em ambientes petroquímicos on-de a agressividade do meio provém da atividade do carbono a altas temperaturas. Normal-mente a pirólise de metano, etileno ou nafta apresentam como subproduto formação de carbono na forma de coque. Com a elevação de temperatura local, ocasionada pela baixa condutividade térmica do coque, a camada de óxido de cromo interna torna-se instável, eliminando a barreira à difusão de carbono. O carbeto de cromo criado pela difusão de car-bono apresenta dilatação térmica diferente da matriz causando tensões internas que em caso extremo ocasiona o rompimento do tubo. Este rompimento pode comprometer a ativi-dade do forno e a segurança da unidade petroquímica.. Neste trabalho foram criados transdutores magnéticos capazes de medir espessura de camada cementada. A determinação da porcentagem de material cementado, através de instrumentos precisos é primordial ao planejamento da manutenção e estudo de custo-benefício à substituição destes materiais. Sua confecção visou empregar materiais de baixo custo, facilidade de manuseio e adequação ao ambiente petroquímico.

Previsão em tempo atual de cheias com uso de sistema especialista difuso

Sistemas de previsão de cheias podem ser adequadamente utilizados quando o alcance é suficiente, em comparação com o tempo necessário para ações preventivas ou corretivas. Além disso, são fundamentalmente importantes a confiabilidade e a precisão das previsões. Previsões de níveis de inundação são sempre aproximações, e intervalos de confiança não são sempre aplicáveis, especialmente com graus de incerteza altos, o que produz intervalos de confiança muito grandes. Estes intervalos são problemáticos, em presença de níveis fluviais muito altos ou muito baixos. Neste estudo, previsões de níveis de cheia são efetuadas, tanto na forma numérica tradicional quanto na forma de categorias, para as quais utiliza-se um sistema especialista baseado em regras e inferências difusas. Metodologias e procedimentos computacionais para aprendizado, simulação e consulta são idealizados, e então desenvolvidos sob forma de um aplicativo (SELF – Sistema Especialista com uso de Lógica “Fuzzy”), com objetivo de pesquisa e operação. As comparações, com base nos aspectos de utilização para a previsão, de sistemas especialistas difusos e modelos empíricos lineares, revelam forte analogia, apesar das diferenças teóricas fundamentais existentes. As metodologias são aplicadas para previsão na bacia do rio Camaquã (15543 km2), para alcances entre 10 e 48 horas. Dificuldades práticas à aplicação são identificadas, resultando em soluções as quais constituem-se em avanços do conhecimento e da técnica. Previsões, tanto na forma numérica quanto categorizada são executadas com sucesso, com uso dos novos recursos. As avaliações e comparações das previsões são feitas utilizandose um novo grupo de estatísticas, derivadas das freqüências simultâneas de ocorrência de valores observados e preditos na mesma categoria, durante a simulação. Os efeitos da variação da densidade da rede são analisados, verificando-se que sistemas de previsão pluvio-hidrométrica em tempo atual são possíveis, mesmo com pequeno número de postos de aquisição de dados de chuva, para previsões sob forma de categorias difusas.

A influência das tensões sobre a difusão de nitrogênio no processo de nitretação a plasma

O objetivo deste trabalho foi verificar a influência das tensões sobre o processo de nitretação a plasma/ difusão do nitrogênio. Amostras do aço AISI M2 e DIN CK45 foram nitretadas apresentando diferentes condições superficiais prévias. Amostras foram nitretadas a plasma a 5000C, com a composição gasosa de 5% de nitrogênio com o balanço em hidrogênio, variando-se o tempo do processo entre 30 e 60, e ainda, 120 minutos para as amostras do aço AISI M2. Estas condições foram produzidas por jateamento controlado e polimento mecânico. Adicionalmente, buscando comparar diferenças entre as tensões mecânicas e residuais, foi utilizado um dispositivo de flexão para promover tensões de carregamento na superfície de uma parte das amostras. As técnicas de análise envolveram medidas de tensões residuais e análise de fases por difração de raios X, caracterização microestrutural por microscopia ótica, perfis de microdurezas e perfis de composição química via espectroscopia ótica de descarga incandescente. Para as amostras do aço AISI M2 não foi detectada a formação da camada de compostos em nenhuma das condições utilizadas. Para amostras do aço DIN CK45, a formação da camada de compostos não pôde ser evitada. Tensões residuais da ordem de 1000 MPa foram medidas nas amostras do aço AISI M2, sendo mais altas para amostras jateadas e polidas que para amostras apenas polidas Os ensaios realizados demonstraram que o nível de tensões do material influencia significantemente a difusão do nitrogênio na matriz. Amostras nitretadas com tensões compressivas apresentaram profundidade de camada da ordem de 45µm, enquanto amostras com tensões zero ou tensões de tração apresentaram camadas da ordem de 50µm. Amostras polidas apresentaram em geral zonas de difusão mais profundas que as amostras jateadas e polidas previamente, obtendo-se uma diferença em profundidade de camada nitretada de até 100%, como se observou nas amostras do aço AISI M2 tratadas por 120 minutos.