Estudo, desenvolvimento e caracterização de revestimentos do tipo super-rede de dureza

Nos últimos 10 anos, o desenvolvimento de técnicas de deposição e seus equipamentos permitiu o surgimento de novos tipos de filmes finos, principalmente voltados para aplicações mecânicas e tribológicas, que são multicamadas nanoestruturadas. Esses revestimentos apresentam propriedades que não são diretamente ligadas as propriedades das camadas individuais de cada material, geralmente apresentando valores de dureza extremamente elevados relacionados a um período de modulação crítico ΛC. Esses filmes demonstram um claro potencial para aplicações tribológicas mesmo com o seu comportamento de dureza ainda não completamente esclarecido. O objetivo deste trabalho é produzir multicamadas nanoestruturadas do tipo metal / nitreto pela técnica de magnetron sputtering usando Nb, Ta e TiN, visando obter uma estrutura com valores de dureza extremamente elevados, tipicamente observados em revestimentos do tipo super-redes. A estrutura periódica dos revestimentos com baixo valor de Λ (< 10 nm) foi caracterizada por XRR (Refletividade por Difração de Raios X) e por RBS (Espectrometria por Retroespalhamento Rutherford) para os valores altos de Λ. As propriedades mecânicas dos revestimentos foram avaliadas por testes instrumentados de dureza usando um equipamento Fischerscope HV100. Todas as multicamadas foram produzidas com sucesso e apresentaram uma periodicidade bem definida, o que foi confirmado pelos resultados de RBS e XRR. Os valores de dureza medidos apresentaram um comportamento tipicamente observado em superredes com um valor máximo maior que 50 GPa sempre relacionado a uma valor crítico de Λ. O valor ΛC foi 8 nm para as amostras de Nb/TiN e 4 nm para as amostras de Ta/TiN. A razão H/E indicou que o revestimento nanoestruturado mais adequado para aplicações tribológicas foram as multicamadas com maior valor de dureza. Esses resultados mostraram claramente a possibilidade de aplicação industrial destes revestimentos.

Avanços na determinação da distribuição em profundidade de elementos leves com resolução subnanométrica utilizando reações nucleares ressonantes

A utilização de reações nucleares ressonantes estreitas em baixas energias é uma ferramenta importante para a determinação de distribuições de elementos leves em filmes finos com resolução em profundidade subnanométrica. O objetivo do trabalho descrito ao longo da presente dissertação é aprimorar os métodos utilizados para a aquisição e interpretação das curvas experimentais. A obtenção das curvas experimentais consiste na detecção dos produtos das reações nucleares em função da energia das partículas incidentes, fazendo necessária variar a energia das partículas do feixe em passos discretos no intervalo desejado. Neste trabalho implementou-se um sistema automático para o controle e incremento da energia do feixe e monitoramento dos produtos das reações nucleares. Esse sistema de varredura automático de energia, além de aumentar consideravelmente a velocidade da medida, aumenta a qualidade das curvas experimentais obtidas. Para a interpretação das curvas de excitação experimentais, foi implementado um programa em linguagem de programação C, baseado na teoria estocástica, que permite simular numericamente as curvas de excitação. Para demonstrar a sua funcionalidade o método desenvolvido foi aplicado para verificar a estabilidade termodinâmica de filmes dielétricos ultrafinos depositados sobre silício, que foram posteriormente nitretados por plasma.

Eletrodeposição de Co sobre n-Si(100) e caracterização dos depósitos formados

O presente trabalho tem como objetivo a eletrodeposição de cobalto, metal que apresenta caráter magnético, sobre um substrato de silício (100) tipo “n”, tendo em vista que a eletrodeposição em um substrato semicondutor apresenta diferenças se comparada à eletrodeposição em um substrato metálico (condutor). Investigou-se a possível influência do nível de dopagem do semicondutor nas características do sistema eletroquímico e nos depósitos de cobalto. Para isto foram utilizadas amostras de Si (100) tipo “n”, de duas diferentes resistividades: <0,005Wcm e 50-100Wcm. Os depósitos de cobalto foram obtidos a partir de duas diferentes técnicas: potenciostática e galvanostática. Foram realizadas curvas de voltametria cíclica em solução contendo íon cobalto e em solução isenta do mesmo. Soluções de duas diferentes concentrações, 1mM e 10mM de CoSO4, foram utilizadas nos experimentos. Sacarina foi adicionada eventualmente à solução com o objetivo de refinar o tamanho dos núcleos de cobalto. A cinética de nucleação foi estudada utilizando os modelos teóricos para nucleação instantânea e progressiva propostos por Scharifker e Hills Tanto as curvas de voltametria cíclica quanto as cronopotenciométricas e cronoamperométricas apresentaram comportamento diferenciado quando da utilização de um eletrodo semicondutor com as duas diferentes resistividades. Através da utilização de um eletrodo metálico foi possível verificar as diferenças de comportamento existentes entre um eletrodo condutor e um semicondutor. Os depósitos de cobalto foram morfologicamente caracterizados por microscopia de força atômica e microscopia eletrônica de varredura. A superfície hidrogenada do silício, após a remoção do óxido de silício, foi observada por microscopia de força atômica. A técnica de difração de raios x foi utilizada para a verificação da estrutura do substrato e dos eletrodepósitos de cobalto. A caracterização magnética dos filmes de cobalto foi realizada por um magnetômetro de campo de gradiente alternado (AGFM). Os depósitos de cobalto obtidos potenciostaticamente apresentaram diferenças morfológicas quando obtidos sobre substrato de silício de diferentes resistividades. Apesar das diferenças morfológicas, as curvas de magnetização foram semelhantes. Com relação à microestrutura, houve a ocorrência de orientação preferencial e de ambas as fases do cobalto,hexagonal compacta e cúbica de face centrada. O aditivo sacarina alterou significativamente a morfologia, microestrutura e comportamento magnético dos depósitos. Depósitos galvanostáticos não apresentaram diferença morfológica significativa quando obtidos sobre silício de duas diferentes resistividades, porém, são morfologicamente diferentes dos depósitos potenciostáticos. A microestrutura destes depósitos apresentou predominância da fase amorfa. As curvas de magnetização também apresentaram diferenças das curvas obtidas para os depósitos potenciostáticos.

Estudo de acoplamento de luz a sistemas multicamadas : plasmons de superfícies e guias de onda

O acoplamento de radiação óptica em sistemas multicamadas tem sido objeto de diversas pesquisas, não somente acadêmicas, mas também para aplicações industriais, tanto na área de sensores ópticos, como na de processadores ópticos e na de comunicações ópticas. Existe uma variedade de técnicas que são exploradas nestes estudos. Nesta tese, focalizamos nossa atenção no acoplamento de radiação laser ou mesmo de luz branca incoerente a um filme tipo multicamadas e estudamos os mecanismos físicos que governam as reflexões e as perdas por absorção nas multicamadas, efeitos que normalmente não parecem quando a incidência ocorre diretamente do ar para o filme. A técnica que exploramos é conhecida como reflexão interna total atenuada, ATR. A presença de um filme fino metálico permite o estudo experimental de plasmons de superfície e do acoplamento a modos guiados do sistema multicamadas. Além dos estudos experimentais, apresentamos um cálculo teórico iterativo para a refletividade dos filmes do tipo multicamadas para um número qualquer de camadas, que apresenta vantagens computacionais no ajuste dos dados experimentais ou em simulações. Esta contribuição não necessita as aproximações encontradas em um grande número de trabalhos que envolvem sistemas mais simples. Apresentamos também o cálculo do fluxo de energia dentro de cada camada individual do sistema, o que nos permite determinar o tipo de modo acoplado e a sua localização. O método foi aplicado a diversos sistemas, quando uma das camadas foi modificada. Estes estudos foram realizados como função do ângulo de incidência e do comprimento de onda da radiação incidente para uma variedade de sistemas multicamadas. Nossa simulação teórica se mostra bastante adequada e útil para a projeção de sistemas multicamadas complexos com camadas metálicas e dielétricas para sensores óticos.

Desenvolvimento de método analítico para determinação de Mg, Ti e Cl em catalisadores ziegler-natta por WDXRF

O desenvolvimento de um método analítico para determinação de Mg, Ti e Cl emcatalisadores suportados Ziegler-Natta (ZN) por espectroscopia de fluorescência de raios Xcom dispersão em comprimento de onda (WDXRF) foi avaliado. Três famílias decatalisadores com distintos teores de Mg, Ti e Cl foram utilizados. Para fins de comparação,os analitos foram também determinados por métodos clássicos, a saber, Mg porcomplexometria com EDTA, Ti por espectrofotometria e Cl por argentimetria. A naturezahigroscópica desses catalisadores impossibilitou a análise direta por WDXRF. Melhoresresultados na preparação da amostra foram obtidos através da calcinação (1000 0C), seguida de mistura com aglomerante (H3BO3), na proporção 1:4, para a determinação da razãoMg/Ti. O estudo do efeito da pressão sobre a intensidade do sinal analítico de Mg e de Ti evidencioua necessidade de prensagem das amostras em pressões superiores a 200 MPa. No caso de Mg e Ti, a determinação por Parâmetros Fundamentais (FP), a partir da medida da linha espectral do Ti, forneceu resultados equivalentes àqueles obtidos porcalibração univariada e por métodos clássicos. No entanto, a utilização de FP a partir damedida da linha espectral do Mg mostrou-se inadequada, provavelmente, devido ao baixo valor do número atômico do Mg. Nas três famílias de catalisadores ZN a razão Mg/Tiobservada foi 0,44 ± 0,01; 1,8 ± 0,05 e 4,9 ± 0,02. A determinação de Cl foi estudada através de extração em meio aquoso, seguida pordeposição de um alíquota da solução sobre diferentes suportes (filmes finos) e posteriorevaporação do solvente. Foram avaliados os suportes papel filtro quantitativo, membranasMillipore FHLC Teflon®, de difluoreto de polivinilideno, celulose, Nylon®, fita Kapton®(poliamida) e Mylar® (poliéster). Devido à natureza do Cl, houve perdas do elemento químicopor volatilização, durante as medidas, possivelmente devido ao vácuo e aquecimento daamostra dentro da câmara de análise do equipamento. A tentativa de fixação do Cl comoAgCl, seguida por deposição sobre a membrana Millipore FHLC foi considerada adequada.No entanto, a média dos resultados obtidos por WDXRF mostrou-se inferior quando comparada ao método argentimétrico utilizado como referência, para um nível de certeza de95%.

Caracterização de Fe granular em matriz de Al/sub 2/O/sub 3/

Neste trabalho é apresentada a caracterização de amostras de filmes finos granulares de Fe- Al2O3, obtidas por evaporação em ultra alto vácuo. Duas amostras com composições diferentes foram obtidas. A espectroscopia de Espalhamento de Rutherford (Rutherford Backscattering Spectroscopy - RBS) foi utilizada para determinar a fração volumétrica de metal e a espessura das amostras, cujos valores obtidos foram 43% e 34% respectivamente. A morfologia das amostras foi investigada por difração de raios-x a qual mostrou a existência de grãos de ferro com 30Å de diâmetro e orientação cristalina preferencial (110) embebidos em uma matriz amorfa de Al2O3. As medidas de magnetização também mostraram que as duas amostras apresentavam uma distribuição de tamanhos de grão de ferro com valor médio de 24Å, estando de acordo com os resultados obtidos por difração de raios-x. A magneto-resistência observada em temperatura ambiente pode ser explicada pelo tunelamento dependente de spin dos elétrons de condução entre os grãos de ferro. Os resultados das medidas de RxT e IxV mostraram que o principal mecanismo de transporte foi o tunelamento termicamente ativado, o que está de acordo com a teoria apresentada por Abeles.

Síntese e caracterização de espinélios a base de Cu, Fe e Cr para pigmentos cerâmicos

Inorganic pigment comprises a host lattice, which is part of the chromophore component (usually a transition metal cation) and possible components modifiers, which stabilize, add or restate the properties pigments. Among the materials with spinel, ferrites, and the chromite stand out, because they have broad technological importance in the area of materials, applicability, pigments, catalytic hydrogenation, thin film, ceramic tiles, among others. The present work, pigments containing CuFe2O4, CuCr2O4,e CuFeCrO4, were synthesized by a method that makes use of gelatin as organic precursor using their application to ceramic pigments. The pigments were characterized by X-ray diffraction (XRD), Infrared spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) spectroscopy in the UV-visible and Colorimetry. The results confirmed the feasibility of the synthetic route used, with respect to powders synthesized, there is the formation of spinel phase from 500°C, with an increase in crystallinity and the formation of other phases. The pigments were shown to be crystalline and the desired phases were obtained. The copper chromite have hues ranging from green to black according to the calcination temperature, while the copper chromite doped with iron had brownish. The ferrites showed copper color and darker brown to black, which may indicate an interesting factor because of the importance of black pigment

Construção, caracterização e aplicação de eletrodos para descarga por arco de cátodo oco

The system built to characterize electrodes and, consequently, deposited fine films are constituted by a hollow cathode that works to discharges and low pressures (approximately 10-3 to 5 mbar), a source DC (0 to 1200 V), a cylindrical camera of closed borossilicato for flanges of stainless steel with an association of vacuum bombs mechanical and spread. In the upper flange it is connected the system of hollow cathode, which possesses an entrance of gas and two entrances for its refrigeration, the same is electrically isolated of the rest of the equipment and it is polarized negatively. In front of the system of hollow cathode there is a movable sample in stainless steel with possibility of moving in the horizontal and vertical. In the vertical, the sample can vary its distance between 0 and 70 mm and, in the horizontal, can leave completely from the front of the hollow cathode. The sample and also the cathode hollow are equipped with cromel-alumel termopares with simultaneous reading of the temperatures during the time of treatment. In this work copper electrodes, bronze, titanium, iron, stainless steel, powder of titanium, powder of titanium and silício, glass and ceramic were used. The electrodes were investigated relating their geometry change and behavior of the plasma of the cavity of hollow cathode and channel of the gas. As the cavity of hollow cathode, the analyzed aspects were the diameter and depth. With the channel of the gas, we verified the diameter. In the two situations, we investigated parameters as flow of the gas, pressure, current and applied tension in the electrode, temperature, loss of mass of the electrode with relationship at the time of use. The flow of gas investigated in the electrodes it was fastened in a work strip from 15 to 6 sccm, the constant pressure of work was among 2.7 to 8 x 10-2 mbar. The applied current was among a strip of work from 0,8 to 0,4 A, and their respective tensions were in a strip from 400 to 220 V. Fixing the value of the current, it was possible to lift the curve of the behavior of the tension with the time of use. That curves esteem in that time of use of the electrode to its efficiency is maximum. The temperatures of the electrodes were in the dependence of that curves showing a maximum temperature when the tension was maximum, yet the measured temperatures in the samples showed to be sensitive the variation of the temperature in the electrodes. An accompaniment of the loss of mass of the electrode relating to its time of use showed that the electrodes that appeared the spherical cavities lost more mass in comparison with the electrodes in that didn't appear. That phenomenon is only seen for pressures of 10-2 mbar, in these conditions a plasma column is formed inside of the channel of the gas and in certain points it is concentrated in form of spheres. Those spherical cavities develop inside of the channel of the gas spreading during the whole extension of the channel of the gas. The used electrodes were cut after they could not be more used, however among those electrodes, films that were deposited in alternate times and the electrodes that were used to deposit films in same times, those films were deposited in the glass substrata, alumina, stainless steel 420, stainless steel 316, silício and steel M2. As the eletros used to deposit films in alternate time as the ones that they were used to deposit in same times, the behavior of the thickness of the film obeyed the curve of the tension with relationship the time of use of the electrode, that is, when the tension was maximum, the thickness of the film was also maximum and when the tension was minimum, the thickness was minimum and in the case where the value of the tension was constant, the thickness of the film tends to be constant. The fine films that were produced they had applications with nano stick, bio-compatibility, cellular growth, inhibition of bacterias, cut tool, metallic leagues, brasagem, pineapple fiber and ornamental. In those films it was investigated the thickness, the adherence and the uniformity characterized by sweeping electronic microscopy. Another technique developed to assist the production and characterization of the films produced in that work was the caloteste. It uses a sphere and abrasive to mark the sample with a cap impression, with that cap form it is possible to calculate the thickness of the film. Through the time of life of the cathode, it was possible to evaluate the rate of waste of its material for the different work conditions. Values of waste rate up to 3,2 x 10-6 g/s were verified. For a distance of the substratum of 11 mm, the deposited film was limited to a circular area of 22 mm diameter mm for high pressures and a circular area of 75 mm for pressure strip. The obtained films presented thickness around 2,1 µm, showing that the discharge of arch of hollow cathode in argon obeys a curve characteristic of the tension with the time of life of the eletrodo. The deposition rate obtained in this system it is of approximately 0,18 µm/min

Influência dos parâmetros de processo na deposição de nitreto de titânio por plasma em gaiola catódica

Titanium nitride films were grown on glass using the Cathodic Cage Plasma Deposition technique in order to verify the influence of process parameters in optical and structural properties of the films. The plasma atmosphere used was a mixture of Ar, N2 and H2, setting the Ar and N2 gas flows at 4 and 3 sccm, respectively and H2 gas flow varied from 0, 1 to 2 sccm. The deposition process was monitored by Optical Emission Spectroscopy (OES) to investigate the influence of the active species in plasma. It was observed that increasing the H2 gas flow into the plasma the luminescent intensities associated to the species changed. In this case, the luminescence of N2 (391,4nm) species was not proportional to the increasing of the H2 gas into the reactor. Other parameters investigated were diameter and number of holes in the cage. The analysis by Grazing Incidence X-Ray Diffraction (GIXRD) confirmed that the obtained films are composed by TiN and they may have variations in the nitrogen amount into the crystal and in the crystallite size. The optical microscopy images provided information about the homogeneity of the films. The atomic force microscopy (AFM) results revealed some microstructural characteristics and surface roughness. The thickness was measured by ellipsometry. The optical properties such as transmittance and reflectance (they were measured by spectrophotometry) are very sensitive to changes in the crystal lattice of the material, chemical composition and film thicknesses. Therefore, such properties are appropriate tools for verification of this process control. In general, films obtained at 0 sccm of H2 gas flow present a higher transmittance. It can be attributed to the smaller crystalline size due to a higher amount of nitrogen in the TiN lattice. The films obtained at 1 and 2 sccm of H2 gas flow have a golden appearance and XRD pattern showed peaks characteristics of TiN with higher intensity and smaller FWHM (Full Width at Half Maximum) parameter. It suggests that the hydrogen presence in the plasma makes the films more stoichiometric and becomes it more crystalline. It was observed that with higher number of holes in the lid of the cage, close to the region between the lid and the sample and the smaller diameter of the hole, the deposited film is thicker, which is justified by the most probability of plasma species reach effectively the sample and it promotes the growth of the film

Estudo da viabilidade técnica para obtenção de superfície duplex em aço inoxidável martensítico AISI 410 através do processo de deposição a plasma por gaiola catódica

The technique of plasma nitriding by the cathode cage mainly stands out for its ability to produce uniform layers, even on parts with complex geometries. In this study, it was investigated the efficiency of this technique for obtaining duplex surface, when used, simultaneously, to nitriding treatment and thin film deposition at temperatures below 500°C. For this, were used samples of AISI 41 0 Martensitic Stainless Steel and performed plasma treatment, combining nitriding and deposition of thin films of Ti and/or TiN in a plasma atmosphere containing N2-H2. It was used a cathodic cage of titanium pure grade II, cylindrical with 70 mm diameter and 34 mm height. Samples were treated at temperature 420ºC for 2 and 12 hours in different working pressures. Optical Microscopy (OM), Scanning Electron Microscopy (SEM) with micro-analysis by Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), X-Ray Diffraction (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM) and analysis of Vickers Microhardness were used to investigate coating properties such as homogeneity and surface topography, chemical composition, layer thickness, crystalline phase, roughness and surface microhardness. The results showed there is a direct proportionality between the presence of H2 in plasma atmosphere and the quantity of titanium in surface chemical composition. It was also observed that the plasma treatment at lowpressure is more effective in formation of TiN thin film

Dispositivos flexíveis de monitoramento de pH e de deflexão mecânica à base de polianilina

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Efeito Kerr magneto-óptico; Ressonância ferromagnética; Acoplamento bilinear; Acoplamento biquadrático

In this work, we investigated the magnetic properties of a monocrystalline Fe thin film and of Fe(80 Å)/Cr(t)/Fe(80 Å) tri-layers, with the nonmagnetic metallic Cr spacer layer thickness varying between 9 Å < t < 40 Å. The samples were deposited by the DC Sputtering on Magnesium Oxide (MgO) substrates, with (100) crystal orientation. For this investigation, experimental magneto-optical Kerr effect (MOKE) magnetometry and ferromagnetic resonance (FMR) techniques were employeed. In this case, these techniques allowed us to study the static and dynamical magnetization properties of our tri-layers. The experimental results were interpreted based on the phenomenological model that takes into account the relevant energy terms to the magnetic free energy to describe the system behavior. In the case of the monocrystalline Fe film, we performed an analytical discussion on the magnetization curves and developed a numerical simulation based on the Stoner-Wohlfarth model, that enables the numerical adjustment of the experimental magnetization curves and obtainment of the anisotropy field values. On the other hand, for the tri-layers, we analyzed the existence of bilinear and biquadratic couplings between the magnetizations of adjacent ferromagnetic layers from measurements of magnetization curves. With the FMR fields and line width angular dependencies, information on the anisotropy in three layers was obtained and the effects of different magnetic relaxation mechanisms were evidenced. It was also possible to observe the dependence of the epitaxy of the multilayers with growth and sputtering parameters. Additionally it was developed the technique of AC magnetic susceptibility in order to obtain further information during the investigation of magnetic thin films

Compósitos de borracha natural com polianilina

Compósitos de borracha natural (Hevea brasiliensis)-BN/polianilina - PANI, com diferentes composições foram obtidos através da polimerização por emulsão do monômero anilina na presença da BN e do ácido dodecilbenzeno sulfônico (DBSA). Filmes finos e homogêneos foram obtidos por prensagem a quente. Os compósitos foram caracterizados por condutividade elétrica, FTIR, UV-vis-NIR, DSC e difração de raios X. Compósito com condutividade elétrica cerca de 14 ordens de grandeza maior que a BN foi obtido. Este alto valor de condutividade é atribuído à formação da PANI no estado dopado no compósito, que foi verificado através das técnicas de UV-vis-NIR e FTIR. Os resultados obtidos com a técnica de DSC e difratometria de raios X indicaram que os polímeros são imiscíveis e que a presença da borracha não altera significantemente a fase cristalina da PANI-DBSA no compósito.

Síntese e processamento de cerâmicas em forno de microondas doméstico

O uso de microondas no processamento e obtenção de materiais tem adquirido nos últimos anos crescente interesse por parte de diversas áreas do conhecimento como a química e a engenharia de materiais. Neste sentido, aparatos especialmente projetados têm começado a ser descritos na literatura como reatores e câmaras de processamento a microondas visando aplicação na pesquisa e na indústria. em particular o uso de fornos de microondas domésticos em atividades científicas tem se mostrado de interesse dado uma série de novas aplicações, simplicidade e baixo custo. O presente trabalho reporta um dispositivo desenvolvido a partir de um forno de microondas doméstico, capaz de efetuar sínteses e processamentos de sólidos mesmo quando os materiais envolvidos não possuem susceptibilidade as microondas. O novo dispositivo tem sido utilizado com sucesso na síntese de óxidos metálicos e, em especial na sinterização e ordenamento de redes cristalinas de filmes finos.

Visible emission from Er-doped SnO2 thin films deposited by sol-gel

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)