Os efeitos nucleares em processos de produ¸c˜ao de quarkonium no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) e no Large Hadron Collider (LHC)

Neste trabalho de disserta¸c˜ao, investigamos os efeitos nucleares em processos de produ¸c˜ao de quarkonium no Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) e no Large Hadron Collider (LHC). Para tanto, consideramos o Modelo de Evapora¸c˜ao de Cor (CEM), baseado em processos partˆonicos calculados mediante a QCD perturbativa e em intera¸c˜oes n˜ao perturbativas via troca de gl´uons suaves para a forma¸c˜ao do quarkonium. Supress˜ao de quarkonium ´e um dos sinais de forma¸c˜ao do assim chamado Plasma de Quarks e Gl´uons (QGP) em colis˜oes ultrarelativ´ısticas de ´ıons pesados. No entanto, a supress˜ao n˜ao ´e somente causada em colis˜oes n´ucleo-n´ucleo (AA) devido `a forma¸c˜ao do QGP. De fato, a supress˜ao de quarkonium tamb´em foi observada em colis˜oes pr´oton-n´ucleo (pA). A fim de separar os efeitos da mat´eria quente (devidos ao QGP) e fria (efeitos n˜ao devidos ao QGP), pode-se olhar primeiro para colis˜oes pA, onde somente efeitos de mat´eria fria desempenham um papel fundamental, e depois aplicar esses efeitos em colis˜oes AA, uma vez que parte da supress˜ao ´e devido a efeitos de mat´eria fria. No regime de altas energias, a produ¸c˜ao do quarkonium ´e fortemente dependente da distribui¸c˜ao de gl´uons nuclear, o que viabiliza uma oportunidade ´unica de estudar o comportamento de pequeno x dos gl´uons dentro do n´ucleo e, consequentemente, restringir os efeitos nucleares. Estudamos os processos nucleares utilizando distintas parametriza¸c˜oes para as distribui¸c˜oes partˆonicas nucleares. Calculamos a raz˜ao nuclear para processos pA e AA em fun¸c˜ao da vari´avel rapidez para a produ¸c˜ao de quarkonium, o que permite estimar os efeitos nucleares. Al´em disso, apresentamos uma compara¸c˜ao com os dados do RHIC para a produ¸c˜ao do m´eson J/Ψ em colis˜oes pA, demonstrando que a an´alise deste observ´avel ´e uma quest˜ao em aberto na literatura. Adicionalmente, estimamos a produ¸c˜ao de quarks pesados e quarkonium na etapa inicial e durante a fase termal de uma colis˜ao ultrarelativ´ıstica de ´ıons pesados. O objetivo deste estudo ´e estimar as distintas contribui¸c˜oes para a produ¸c˜ao e de alguns efeitos do meio nuclear.

Plasma diagnostics and ITO film deposition by RF-assisted closed-field dual magnetron system

Deposition of indium tin oxide (ITO) among various transparent conductive materials on flexible organic substrates has been intensively investigated among academics and industrials for a whole new array of imaginative optoelectronic products. One critical challenge coming with the organic materials is their poor thermal endurances, considering that the process currently used to produce industry-standard ITO usually involves relatively high substrate temperature in excess of 200°C and post-annealing. A lower processing temperature is thus demanded, among other desires of high deposition rate, large substrate area, good uniformity, and high quality of the deposited materials. For this purpose, we developed an RF-assisted closed-field dual magnetron sputtering system. The “prototype” system consists of a 3-inch unbalanced dual magnetron operated at a closed-field configuration. An RF coil was fabricated and placed between the two magnetron cathodes to initiate a secondary plasma. The concept is to increase the ionization faction with the RF enhancement and utilize the ion energy instead of thermal energy to facilitate the ITO film growth. The closed-field unbalanced magnetrons create a plasma in the intervening region rather than confine it near the target, thus achieving a large-area processing capability. An RF-compensated Langmuir probe was used to characterize and compare the plasmas in mirrored balanced and closed-field unbalanced magnetron configurations. The spatial distributions of the electron density ne and electron temperature Te were measured. The density profiles reflect the shapes of the plasma. Rather than intensively concentrated to the targets/cathodes in the balanced magnetrons, the plasma is more dispersive in the closed-field mode with a twice higher electron density in the substrate region. The RF assistance significantly enhances ne by one or two orders of magnitude higher. The effect of various other parameters, such as pressure, on the plasma was also studied. The ionization fractions of the sputtered atoms were measured using a gridded energy analyzer (GEA) combined with a quartz crystal microbalance (QCM). The presence of the RF plasma effectively increases the ITO ionization fraction to around 80% in both the balanced and closed-field unbalanced configurations. The ionization fraction also varies with pressure, maximizing at 5-10 mTorr. The study of the ionization not only facilitates understanding the plasma behaviors in the RF-assisted magnetron sputtering, but also provides a criterion for optimizing the film deposition process. ITO films were deposited on both glass and plastic (PET) substrates in the 3-inch RF-assisted closed-field magnetrons. The electrical resistivity and optical transmission transparency of the ITO films were measured. Appropriate RF assistance was shown to dramatically reduce the electrical resistivity. An ITO film with a resistivity of 1.2×10-3 Ω-cm and a visible light transmittance of 91% was obtained with a 225 W RF enhancement, while the substrate temperature was monitored as below 110°C. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was employed to confirm the ITO film stoichiometry. The surface morphology of the ITO films and its effect on the film properties were studied using atomic force microscopy (AFM). The prototype of RF-assisted closed-field magnetron was further extended to a larger rectangular shaped dual magnetron in a flat panel display manufacturing system. Similar improvement of the ITO film conductivities by the auxiliary RF was observed on the large-area PET substrates. Meanwhile, significant deposition rates of 25-42 nm/min were achieved.

High Precision Plasma Etch for Pattern Transfer: Towards Fluorocarbon Based Atomic Layer Etching

A basic requirement of a plasma etching process is fidelity of the patterned organic materials. In photolithography, a He plasma pretreatment (PPT) based on high ultraviolet and vacuum ultraviolet (UV/VUV) exposure was shown to be successful for roughness reduction of 193nm photoresist (PR). Typical multilayer masks consist of many other organic masking materials in addition to 193nm PR. These materials vary significantly in UV/VUV sensitivity and show, therefore, a different response to the He PPT. A delamination of the nanometer-thin, ion-induced dense amorphous carbon (DAC) layer was observed. Extensive He PPT exposure produces volatile species through UV/VUV induced scissioning. These species are trapped underneath the DAC layer in a subsequent plasma etch (PE), causing a loss of adhesion. Next to stabilizing organic materials, the major goals of this work included to establish and evaluate a cyclic fluorocarbon (FC) based approach for atomic layer etching (ALE) of SiO2 and Si; to characterize the mechanisms involved; and to evaluate the impact of processing parameters. Periodic, short precursor injections allow precise deposition of thin FC films. These films limit the amount of available chemical etchant during subsequent low energy, plasma-based Ar+ ion bombardment, resulting in strongly time-dependent etch rates. In situ ellipsometry showcased the self-limited etching. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirms FC film deposition and mixing with the substrate. The cyclic ALE approach is also able to precisely etch Si substrates. A reduced time-dependent etching is seen for Si, likely based on a lower physical sputtering energy threshold. A fluorinated, oxidized surface layer is present during ALE of Si and greatly influences the etch behavior. A reaction of the precursor with the fluorinated substrate upon precursor injection was observed and characterized. The cyclic ALE approach is transferred to a manufacturing scale reactor at IBM Research. Ensuring the transferability to industrial device patterning is crucial for the application of ALE. In addition to device patterning, the cyclic ALE process is employed for oxide removal from Si and SiGe surfaces with the goal of minimal substrate damage and surface residues. The ALE process developed for SiO2 and Si etching did not remove native oxide at the level required. Optimizing the process enabled strong O removal from the surface. Subsequent 90% H2/Ar plasma allow for removal of C and F residues.

Análisis teórico del contacto plasma-superficie y sus aplicaciones industriales

Actualmente, la física de plasmas constituye una parte importante de la investigación en física que está siendo desarrollada. Su campo de aplicación varía desde el estudio de plasmas interestelares y cósmicos, como las estrellas, las nebulosas, el medio intergaláctico, etc.; hasta aplicaciones más terrenales como la producción de microchips o los dispositivos de iluminación. Resulta particularmente interesante el estudio del contacto de una superficie metálica con un plasma. Siendo la razón que, la dinámica de la interfase formada entre un plasma imperturbado y una superficie metálica, resulta de gran importancia cuando se trata de estudiar problemas como: la implantación iónica en una oblea de silicio, el grabado por medio de plasmas, la carga de una aeronave cuando atraviesa la ionosfera y la diagnosis de plasmas mediante sondas de Langmuir. El uso de las sondas de Langmuir está extendido a través de multitud de aplicaciones tecnológicas e industriales como método de diagnosis de plasmas. Algunas de estas aplicaciones han sido mencionadas justo en el párrafo anterior. Es más, su uso también es muy popular en la investigación en física de plasmas, por ser una de las pocas técnicas de diagnosis que proporciona información local sobre el plasma. El equipamiento donde es habitualmente implementado varía desde plasmas de laboratorio de baja temperatura hasta plasmas de fusión en dispositivos como tokamaks o stellerators. La geometría más popular de este tipo de sondas es cilíndrica, y la principal magnitud que se usa para diagnosticar el plasma es la corriente recogida por la sonda cuando se encuentra polarizada a un cierto potencial. Existe un interes especial en diagnosticar por medio de la medida de la corriente iónica recogida por la sonda, puesto que produce una perturbación muy pequeña del plasma en comparación con el uso de la corriente electrónica. Dada esta popularidad, no es de extrañar que grandes esfuerzos se hayan realizado en la consecución de un modelo teórico que explique el comportamiento de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma. Hay que remontarse a la primera mitad del siglo XX para encontrar las primeras teorías que permiten diagnosticar parámetros del plasma mediante la medida de la corriente iónica recogida por la sonda de Langmuir. Desde entonces, las mejoras en estos modelos y el desarrollo de otros nuevos ha sido una constante en la investigación en física de plasmas. No obstante, todavía no está claro como los iones se aproximan a la superficie de la sonda. Las dos principales, a la par que opuestas, aproximaciones al problema que están ampliamente aceptadas son: la radial y la orbital; siendo el problema que ambas predicen diferentes valores para la corriente iónica. Los experimentos han arrojado resultados de acuerdo con ambas teorías, la radial y la orbital; y lo que es más importante, una transición entre ambos ha sido recientemente observada. La mayoría de los logros conseguidos a la hora de comprender como los iones caen desde el plasma hacia la superficie de la sonda, han sido llevados a cabo en el campo de la dinámica de fluidos o la teoría cinética. Por otra parte, este problema puede ser abordado mediante el uso de simulaciones de partículas. La principal ventaja de las simulaciones de partículas sobre los modelos de fluidos o cinéticos es que proporcionan mucha más información sobre los detalles microscópicos del movimiento de las partículas, además es relativamente fácil introducir interacciones complejas entre las partículas. No obstante, estas ventajas no se obtienen gratuitamente, ya que las simulaciones de partículas requieren grandísimos recursos. Por esta razón, es prácticamente obligatorio el uso de técnicas de procesamiento paralelo en este tipo de simulaciones. El vacío en el conocimiento de las sondas de Langmuir, es el que motiva nuestro trabajo. Nuestra aproximación, y el principal objetivo de este trabajo, ha sido desarrollar una simulación de partículas que nos permita estudiar el problema de una sonda de Langmuir inmersa en un plasma y que está negativamente polarizada con respecto a éste. Dicha simulación nos permitiría estudiar el comportamiento de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir, así como arrojar luz sobre la transición entre las teorías radiales y orbitales que ha sido observada experimentalmente. Justo después de esta sección introductoria, el resto de la tesis está dividido en tres partes tal y como sigue: La primera parte está dedicada a establecer los fundamentos teóricos de las sondas de Langmuir. En primer lugar, se realiza una introducción general al problema y al uso de sondas de Langmuir como método de diagnosis de plasmas. A continuación, se incluye una extensiva revisión bibliográfica sobre las diferentes teorías que proporcionan la corriente iónica recogida por una sonda. La segunda parte está dedicada a explicar los detalles de las simulaciones de partículas que han sido desarrolladas a lo largo de nuestra investigación, así como los resultados obtenidos con las mismas. Esta parte incluye una introducción sobre la teoría que subyace el tipo de simulaciones de partículas y las técnicas de paralelización que han sido usadas en nuestros códigos. El resto de esta parte está dividido en dos capítulos, cada uno de los cuales se ocupa de una de las geometrías consideradas en nuestras simulaciones (plana y cilíndrica). En esta parte discutimos también los descubrimientos realizados relativos a la transición entre el comportamiento radial y orbital de los iones en los alrededores de una sonda cilíndrica de Langmuir. Finalmente, en la tercera parte de la tesis se presenta un resumen del trabajo realizado. En este resumen, se enumeran brevemente los resultados de nuestra investigación y se han incluido algunas conclusiones. Después de esto, se enumeran una serie de perspectivas futuras y extensiones para los códigos desarrollados.

Síntesis, caracterización, propiedades eléctricas y electroquímicas de Na₃V₂-xAlx(PO₄)2F₃ (x=0,0.02, 0.05, 0.1) como cátodos para su aplicación en baterías de ion-litio

Propósito y Método del Estudio: La demanda de baterías recargables ha aumentado de manera significativa cada año durante la última década impulsada por las necesidades vinculadas con el desarrollo tecnológico (portabilidad, alto desempeño de dispositivos electrónicos, vehículos eléctricos). La batería ión-litio es el dispositivo de mayor consumo, está diseñado para el almacenamiento y conversión de energía eléctrica basado en electrodos de intercalación. En la actualidad los esfuerzos están dirigidos a la mejora y/o remplazo de los componentes actuales de las baterías: ánodo, cátodo (LiCoO2) y electrolito, por materiales que tengan más altos rendimientos en términos de energía, potencia, costo, confiabilidad, tiempo de vida y seguridad. En este trabajo de investigación se prepararon y caracterizaron cuatro compuestos Na3V2-xAlx(PO4)2F3 (x= 0, 0.02, 0.05, 0.1) como materiales catódicos para baterías ión-litio. Estos materiales se obtuvieron mediante el método Pechini. La caracterización morfológica y microestructural se llevó a cabo por Microscopia Electrónica de Barrido de Emisión de Campo (FESEM), el análisis textural por Fisisorción de N2 por la técnica BET; la composición química y cristalográfica se determinó por Espectroscopia de Emisión de Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-OES), Espectroscopia de Energía Dispersiva de Rayos X (EDXS) y Difracción de Rayos X (XRD), mientras que por Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS) se realizó la caracterización eléctrica; por último la aplicación de los materiales como cátodos en baterías ión-litio se evaluó mediante pruebas Galvanostáticas de carga/descarga. Contribuciones y Conclusiones: Se establecieron las condiciones de síntesis para los materiales Na3V2-xAlx(PO4)2F3 x= 0, 0.02, 0.05 y 0.1 vía método Pechini. El dopaje de la fase Na3V2-xAlx(PO4)2F3 se llevó a cabo con éxito hasta x=0.1 moles de aluminio, dado que se conservó la estructura cristalina tetragonal del Na3V2(PO4)2F3 (JCPDS 01-089-8485). Los materiales obtenidos tienen una microestructura formada por partículas de forma granular de tamaño nanométrico (40-100nm), esto se atribuye al efecto del carbono residual en la muestra (en promedio 8% en peso) ya que inhibe el crecimiento de partícula, además que permite mejorar el contacto entre las partículas lo que beneficia a la conductividad electrónica del material. Los materiales obtenidos tienen en promedio un tamaño de poro de 20 nm, con un área superficial del orden 30 m2/g. La fase con 0.05 moles de aluminio presentó el mejor resultado bajo las condiciones de estudio. Conjuga dos de las características básicas de una batería, presenta una alta capacidad de carga/descarga (123/101 mAh/g a un voltaje de celda de 4.4 V vs Li) y una buena capacidad de retención (82%), en comparación al material sin dopar (128/63 mAh/g y 49% de retención). Por lo anterior, el dopaje de la fase Na3V2(PO4)2F3 con Al, logró la estabilización de la estructura frente a los procesos de ciclado. Por lo cual es un material prometedor para su aplicación como cátodos en baterías ión-litio o ión-sodio.

Condensed phase combustion travelling waves with sequential exothermic or endothermic reactions

The one-dimensional propagation of a combustion wave through a premixed solid fuel for two-stage kinetics is studied. We re-examine the analysis of a single reaction travelling-wave and extend it to the case of two-stage reactions. We derive an expression for the travelling wave speed in the limit of large activation energy for both reactions. The analysis shows that when both reactions are exothermic, the wave structure is similar to the single reaction case. However, when the second reaction is endothermic, the wave structure can be significantly different from single reaction case. In particular, as might be expected, a travelling wave does not necessarily exist in this case. We establish conditions in the limiting large activation energy limit for the non-existence, and for monotonicity of the temperature profile in the travelling wave.