Atomistic modeling of Ge damage accumulation, amorphization and solid phase epitaxial regrowth

En los últimos años, el Ge ha ganado de nuevo atención con la finalidad de ser integrado en el seno de las existentes tecnologías de microelectrónica. Aunque no se le considera como un canddato capaz de reemplazar completamente al Si en el futuro próximo, probalemente servirá como un excelente complemento para aumentar las propiedades eléctricas en dispositivos futuros, especialmente debido a su alta movilidad de portadores. Esta integración requiere de un avance significativo del estado del arte en los procesos de fabricado. Técnicas de simulación, como los algoritmos de Monte Carlo cinético (KMC), proporcionan un ambiente atractivo para llevar a cabo investigación y desarrollo en este campo, especialmente en términos de costes en tiempo y financiación. En este estudio se han usado, por primera vez, técnicas de KMC con el fin entender el procesado “front-end” de Ge en su fabricación, específicamente la acumulación de dañado y amorfización producidas por implantación iónica y el crecimiento epitaxial en fase sólida (SPER) de las capas amorfizadas. Primero, simulaciones de aproximación de clisiones binarias (BCA) son usadas para calcular el dañado causado por cada ión. La evolución de este dañado en el tiempo se simula usando KMC sin red, o de objetos (OKMC) en el que sólamente se consideran los defectos. El SPER se simula a través de una aproximación KMC de red (LKMC), siendo capaz de seguir la evolución de los átomos de la red que forman la intercara amorfo/cristalina. Con el modelo de amorfización desarrollado a lo largo de este trabajo, implementado en un simulador multi-material, se pueden simular todos estos procesos. Ha sido posible entender la acumulación de dañado, desde la generación de defectos puntuales hasta la formación completa de capas amorfas. Esta acumulación ocurre en tres regímenes bien diferenciados, empezando con un ritmo lento de formación de regiones de dañado, seguido por una rápida relajación local de ciertas áreas en la fase amorfa donde ambas fases, amorfa y cristalina, coexisten, para terminar en la amorfización completa de capas extensas, donde satura el ritmo de acumulación. Dicha transición ocurre cuando la concentración de dañado supera cierto valor límite, el cual es independiente de las condiciones de implantación. Cuando se implantan los iones a temperaturas relativamente altas, el recocido dinámico cura el dañado previamente introducido y se establece una competición entre la generación de dañado y su disolución. Estos efectos se vuelven especialmente importantes para iones ligeros, como el B, el cual crea dañado más diluido, pequeño y distribuido de manera diferente que el causado por la implantación de iones más pesados, como el Ge. Esta descripción reproduce satisfactoriamente la cantidad de dañado y la extensión de las capas amorfas causadas por implantación iónica reportadas en la bibliografía. La velocidad de recristalización de la muestra previamente amorfizada depende fuertemente de la orientación del sustrato. El modelo LKMC presentado ha sido capaz de explicar estas diferencias entre orientaciones a través de un simple modelo, dominado por una única energía de activación y diferentes prefactores en las frecuencias de SPER dependiendo de las configuraciones de vecinos de los átomos que recristalizan. La formación de maclas aparece como una consecuencia de esta descripción, y es predominante en sustratos crecidos en la orientación (111)Ge. Este modelo es capaz de reproducir resultados experimentales para diferentes orientaciones, temperaturas y tiempos de evolución de la intercara amorfo/cristalina reportados por diferentes autores. Las parametrizaciones preliminares realizadas de los tensores de activación de tensiones son también capaces de proveer una buena correlación entre las simulaciones y los resultados experimentales de velocidad de SPER a diferentes temperaturas bajo una presión hidrostática aplicada. Los estudios presentados en esta tesis han ayudado a alcanzar un mejor entendimiento de los mecanismos de producción de dañado, su evolución, amorfización y SPER para Ge, además de servir como una útil herramienta para continuar el trabajo en este campo. In the recent years, Ge has regained attention to be integrated into existing microelectronic technologies. Even though it is not thought to be a feasible full replacement to Si in the near future, it will likely serve as an excellent complement to enhance electrical properties in future devices, specially due to its high carrier mobilities. This integration requires a significant upgrade of the state-of-the-art of regular manufacturing processes. Simulation techniques, such as kinetic Monte Carlo (KMC) algorithms, provide an appealing environment to research and innovation in the field, specially in terms of time and funding costs. In the present study, KMC techniques are used, for the first time, to understand Ge front-end processing, specifically damage accumulation and amorphization produced by ion implantation and Solid Phase Epitaxial Regrowth (SPER) of the amorphized layers. First, Binary Collision Approximation (BCA) simulations are used to calculate the damage caused by every ion. The evolution of this damage over time is simulated using non-lattice, or Object, KMC (OKMC) in which only defects are considered. SPER is simulated through a Lattice KMC (LKMC) approach, being able to follow the evolution of the lattice atoms forming the amorphous/crystalline interface. With the amorphization model developed in this work, implemented into a multi-material process simulator, all these processes can be simulated. It has been possible to understand damage accumulation, from point defect generation up to full amorphous layers formation. This accumulation occurs in three differentiated regimes, starting at a slow formation rate of the damage regions, followed by a fast local relaxation of areas into the amorphous phase where both crystalline and amorphous phases coexist, ending in full amorphization of extended layers, where the accumulation rate saturates. This transition occurs when the damage concentration overcomes a certain threshold value, which is independent of the implantation conditions. When implanting ions at relatively high temperatures, dynamic annealing takes place, healing the previously induced damage and establishing a competition between damage generation and its dissolution. These effects become specially important for light ions, as B, for which the created damage is more diluted, smaller and differently distributed than that caused by implanting heavier ions, as Ge. This description successfully reproduces damage quantity and extension of amorphous layers caused by means of ion implantation reported in the literature. Recrystallization velocity of the previously amorphized sample strongly depends on the substrate orientation. The presented LKMC model has been able to explain these differences between orientations through a simple model, dominated by one only activation energy and different prefactors for the SPER rates depending on the neighboring configuration of the recrystallizing atoms. Twin defects formation appears as a consequence of this description, and are predominant for (111)Ge oriented grown substrates. This model is able to reproduce experimental results for different orientations, temperatures and times of evolution of the amorphous/crystalline interface reported by different authors. Preliminary parameterizations for the activation strain tensors are able to also provide a good match between simulations and reported experimental results for SPER velocities at different temperatures under the appliance of hydrostatic pressure. The studies presented in this thesis have helped to achieve a greater understanding of damage generation, evolution, amorphization and SPER mechanisms in Ge, and also provide a useful tool to continue research in this field.

Estudio de la diversidad genética de Botrytis sp en orquídeas y la resistencia al ataque del hongo

En la actualidad la mayoría de plantas sufren pérdidas debido a las enfermedades que les provocan los hongos. Uno de estos grupos amenazado por el ataque de los hongos son las especies de la familia Orchidaceae, especies que se encuentran amenazadas y con numerosas especies en peligro de extinción. Uno de los problemas sanitarios más destacados es Botrytis cinerea, hongo patógeno cosmopolita, causante de enfermedades importantes en muchas plantas tales como frutas, verduras, accesiones de viveros, plantas ornamentales y huertos cultivos (Jarvis 1977; Elad et al., 2007). Este género es uno de los grupos de hongos más ampliamente conocido y distribuido. Contiene 22 especies (Hennebert 1973; Yohalem et al., 2003) y un híbrido (B. allii) (Yohalem & Alabama, 2003) vinculado a las etapas sexuales y un amplio número de huéspedes específicos (Beever y Weds, 2000); infecta más de 200 especies vegetales distintas (Williamson et al., 2007). Dada la importancia de este patógeno se realiza un estudio de caracterización morfológica y molecular del hongo, aislado de plantas de orquídeas cultivadas en condiciones de invernadero, de hortalizas y plantas frutales, con síntomas de necrosis, atizonamientos y pudriciones. El análisis de las características morfológicas (presencia de esclerocios, tamaño de conidios, presencia de estructuras sexuales in vitro) y fenotípicas (crecimiento micelial a diferentes temperaturas, germinación de esporas), nos permitió determinar características importantes del comportamiento del hongo y establecer cuáles son las mejores condiciones para su patogenicidad. Se afianzo este trabajo con estudios moleculares a través del análisis de la región ribosomal ITS1-ITS4. Entre los aislados estudiados se identificaron dos especies diferentes, Botrytis cinerea y B. fabiopsis, esta última conocida como especifica de Vicia faba, se lo aisló de una planta de Pelargonium sp. Se hizo un análisis filogenético para comparar estas dos especies, encontrándose que B. fabiopsis está estrechamente relacionada con B. cinerea y B. elliptica, pero lejanamente relacionado con B. fabae. Además, se analizó las poblaciones de los aislados de Botrytis, para ello se seleccionaron tres parejas de cebadores microsatelites con altos porcentajes de polimorfismo. Al analizar la similaridad entre los aislados se determinaron tres grupos de poblaciones de B. cinerea entre los cuales Botrytis fabiopsis comparte un grupo grande con B. cinerea. La diferenciación genética no fue significativa entre la población de aislados de orquídeas y hortalizas, la diferencia génica que fue muy baja, lo que sugiere que la especificidad de Botrytis no está dada por los hospederos, aunque la posibilidad de la especificidad con algún cultivo no puede descartarse. ABSTRACT Most plants suffer diseases caused by fungi. Orchidaceae is one of the threatened groups with many endangered species. Included into the most important problems in plant health is Botrytis cinerea, a cosmopolitan pathogen which causes major diseases in many plants of agronomic interest such as fruits, vegetables, planthouses accessions and ornamental plants (Jarvis, 1977; Elad et al, 2007). The genus Botrytis is one of the most widely and disseminated fungi. The genus contains 22 species (Hennebert 1973; Yohalem et al, 2003) and a hybrid (B. allii) (Yohalem & Alabama, 2003) linked to the sexual stages of a large number of specific hosts (Beever & Weds, 2000); infects over 200 different plant species (Williamson et al., 2007). Due to the importance of this pathogen, a study of morphological and molecular characterization of the fungus was carried out. Fungi samples were isolated from orchid plants grown in greenhouse conditions, vegetables and fruits with signs of necrosis, blight and rottening. To establish the best conditions for pathogenicity, behavioral characteristics of the fungus were studied through the analysis of morphological characteristics (presence of sclerotia, conidia size, sexual structures in vitro) and mycelial growth at different temperatures. To complete the characterization of the fungi, a molecular study was performed via the analysis of ribosomal ITS1-ITS4 region. Two different species were identified: Botrytis cinerea and Botrytis fabiopsis (known by specificity to Vicia faba). B. fabiopsis was isolated from a plant of the genus Pelargonium. A phylogenetic analysis was carried out to compare these two species leading to the conclusion that B. fabiopsis is closely related to B. cinerea and B. elliptica, but distantly related to B. fabae. The populations of Botrytis isolates were also analyzed. Three pairs of microsatellite primers with high percentages of polymorphism were selected. A similarity analysis showed three groups of populations of B. cinerea, including Botrytis fabiopsis. The genetic differentiation was not significant among the populations of isolates from orchids and vegetables; genetic differences were very low, suggesting that the specificity of Botrytis species is not given by the hosts.

Evolución de las características en micrófonos electret

A la hora del estudio de los fenómenos acústicos, es necesario el conocimiento de las características técnicas de los elementos utilizados. Un parte importante de ello son los micrófonos, sus características son esenciales para la obtención y comparación de los datos. Intentando describirlas, este trabajo quiere presentar un estudio detallado de una de las características que influyen en ellos, la característica de vida, especializándose en un tipo de micrófonos, los electret. La metodología seguida para el estudio de estos micrófonos se basa en la recopilación de información tras ensayos a diferentes temperaturas con el fin de caracterizarlos según las distintas distribuciones de vida existentes. En cuanto a los contenidos, se comienza explicando una base histórica de estos, origen, características generales y su evolución a lo largo de los años. Seguidamente se especifica una base teórica sobre distintas características que los afectan, antecedentes, y una explicación de las distintas distribuciones y formas del cálculo de vida. Posteriormente comienza la explicación del material utilizado, así como todas las características, para poder explicar la realización del estudio. Para ello: - Se han realizado tres ensayos a diferentes temperaturas, 140º, 125º y 110º dentro de una cámara térmica - Cada ensayo ha constado de diez micrófonos - El número de horas dentro de la cámara térmica ha variado dependiendo de la temperatura a la que se sometían los micrófonos en cada ensayo. - Tras cada hora se ha realizado una medida de cada uno de los micrófonos del nivel de presión sonora a la entrada, con el fin de ir comparándolos tras cada tiempo dentro de la cámara térmica. - Finalmente se ha realizado un estudio de fiabilidad con el que se ha obtenido el tiempo de vida. ABSTRACT. When the study of acoustic phenomena, the knowledge of technical characteristics for the different elements used is needed. An important part of this are the microphones, their characteristics are essential for obtaining and comparing data. Trying to describe it, this paper wants to present a detailed analysis of one of the characteristics that influence them, the characteristic of life, focusing in one type of microphones, the electret. The methodology for the study of these microphones is based on gathering information after some test at different temperatures in order to characterize them with different existing distributions of life. As for the contents, begins with a historical basis of them, origin, general characteristics and their evolution through the years. Afterward a theoretical background on different characteristics that affect them, history and an explanation of different distributions for calculating life forms. Then it begins with the explanation of the material used, as well as the features, in order to explain the study. For that: - There were three test at different temperatures, 140º, 125º and 110º in a thermal camera - Each test has consisted in ten microphones - The number of hours inside the thermal camera has varied depending on the subjected test which the microphones were - After each hour, it has been made a measurement of each microphone of their sound level pressure, in order to compare them after every hour inside the thermal camera - Finally, it has been made a reliability study to obtain their lifetime

Directed evolution of a thermostable esterase

We have used in vitro evolution to probe the relationship between stability and activity in a mesophilic esterase. Previous studies of these properties in homologous enzymes evolved for function at different temperatures have suggested that stability at high temperatures is incompatible with high catalytic activity at low temperatures through mutually exclusive demands on enzyme flexibility. Six generations of random mutagenesis, recombination, and screening stabilized Bacillus subtilis p-nitrobenzyl esterase significantly (>14°C increase in Tm) without compromising its catalytic activity at lower temperatures. Furthermore, analysis of the stabilities and activities of large numbers of random mutants indicates that these properties are not inversely correlated. Although enhanced thermostability does not necessarily come at the cost of activity, the process by which the molecule adapts is important. Mutations that increase thermostability while maintaining low-temperature activity are very rare. Unless both properties are constrained (by natural selection or screening) the evolution of one by the accumulation of single amino acid substitutions typically comes at the cost of the other, regardless of whether the two properties are inversely correlated or not correlated at all.

Hydrolysis of GTP on rab11 is required for the direct delivery of transferrin from the pericentriolar recycling compartment to the cell surface but not from sorting endosomes

Rab11 is a small GTP-binding protein that in cultured mammalian cells has been shown to be concentrated in the pericentriolar endosomal recycling compartment and to play a key role in passage of the recycling transferrin receptor through that compartment [Ullrich, O., Reinsch, S., Urbé, S., Zerial, M. & Parton, R. G. (1996) J. Cell Biol. 135, 913–924]. To obtain insights into the site(s) of action of rab11 within the recycling pathway, we have now compared the effects on recycling at 37°C of overexpression of wild-type rab11 and various mutant forms of this protein in cells that had been loaded with transferrin at either 37°C or 16°C. We show that incubation at 16°C blocks passage of endocytosed transferrin into the recycling compartment and that, whereas the rab11 dominant negative mutant form (S25N) inhibits transferrin recycling after interiorization at either temperature, the wild-type rab11 and constitutively active mutant (Q70L) have no inhibitory effect on the recycling of molecules that were interiorized at 16°C. This differential inhibitory effect shows that two distinct pathways for recycling are followed by the bulk of the transferrin molecules interiorized at the two different temperatures. The incapacity of the constitutively active form of rab11 (Q70L) to inhibit recycling of molecules interiorized at 16°C is consistent with their recycling taking place directly from sorting endosomes, in a process that does not require hydrolysis of GTP on rab11. The fact that the dominant negative (S25N) form of rab11 inhibits recycling of molecules interiorized at both temperatures indicates that activation of rab11 by GTP is required for exit of transferrin from sorting endosomes, regardless of whether this exit is toward the recycling compartment or directly to the plasma membrane.

Functional and physiological consequences of genetic variation at phosphoglucose isomerase: Heat shock protein expression is related to enzyme genotype in a montane beetle

Allele frequency variation at the phosphoglucose isomerase (PGI) locus in Californian populations of the beetle Chrysomela aeneicollis suggests that PGI may be undergoing natural selection. We quantified (i) apparent Michaelis-Menten constant (Km) of fructose 6-phosphate at different temperatures and (ii) thermal stability for three common PGI genotypes (1–1, 1–4, and 4–4). We also measured air temperature (Ta) and beetle body temperature (Tb) in three montane drainages in the Sierra Nevada, California. Finally, we measured 70-kDa heat shock protein (Hsp70) expression in field-collected and laboratory-acclimated beetles. We found that PGI allele 1 predominated in the northernmost drainage, Rock Creek (RC), which was also significantly cooler than the southernmost drainage, Big Pine Creek (BPC), where PGI allele 4 predominated. Allele frequencies and air temperatures were intermediate in the middle drainage, Bishop Creek (BC). Differences among genotypes in Km (1–1 > 1–4 > 4–4) and thermal stability (4–4 > 1–4 > 1–1) followed a pattern consistent with temperature adaptation. In nature, Tb was closely related to Ta. Hsp70 expression in adult beetles decreased with elevation and differed among drainages (BPC > BC > RC). After laboratory acclimation (8 days, 20°C day, 4°C night) and heat shock (4 h, 28–36°C), Hsp70 expression was greater for RC than BPC beetles. In RC, field-collected beetles homozygous for PGI 1–1 had higher Hsp70 levels than heterozygotes or a 4–4 homozygote. These results reveal functional and physiological differences among PGI genotypes, which suggest that montane populations of this beetle are locally adapted to temperature.

Thermostable and site-specific DNA binding of the gene product ORF56 from the Sulfolobus islandicus plasmid pRN1, a putative archael plasmid copy control protein

There is still a lack of information on the specific characteristics of DNA-binding proteins from hyperthermophiles. Here we report on the product of the gene orf56 from plasmid pRN1 of the acidophilic and thermophilic archaeon Sulfolobus islandicus. orf56 has not been characterised yet but low sequence similarily to several eubacterial plasmid-encoded genes suggests that this 6.5 kDa protein is a sequence-specific DNA-binding protein. The DNA-binding properties of ORF56, expressed in Escherichia coli, have been investigated by EMSA experiments and by fluorescence anisotropy measurements. Recombinant ORF56 binds to double-stranded DNA, specifically to an inverted repeat located within the promoter of orf56. Binding to this site could down-regulate transcription of the orf56 gene and also of the overlapping orf904 gene, encoding the putative initiator protein of plasmid replication. By gel filtration and chemical crosslinking we have shown that ORF56 is a dimeric protein. Stoichiometric fluorescence anisotropy titrations further indicate that ORF56 binds as a tetramer to the inverted repeat of its target binding site. CD spectroscopy points to a significant increase in ordered secondary structure of ORF56 upon binding DNA. ORF56 binds without apparent cooperativity to its target DNA with a dissociation constant in the nanomolar range. Quantitative analysis of binding isotherms performed at various salt concentrations and at different temperatures indicates that approximately seven ions are released upon complex formation and that complex formation is accompanied by a change in heat capacity of –6.2 kJ/mol. Furthermore, recombinant ORF56 proved to be highly thermostable and is able to bind DNA up to 85°C.

The thermodynamic origin of the stability of a thermophilic ribozyme

Understanding the mechanism of thermodynamic stability of an RNA structure has significant implications for the function and design of RNA. We investigated the equilibrium folding of a thermophilic ribozyme and its mesophilic homologue by using hydroxyl radical protection, small-angle x-ray scattering, and circular dichroism. Both RNAs require Mg2+ to fold to their native structures that are very similar. The stability is measured as a function of Mg2+ and urea concentrations at different temperatures. The enhanced stability of the thermophilic ribozyme primarily is derived from a tremendous increase in the amount of structure formed in the ultimate folding transition. This increase in structure formation and cooperativity arises because the penultimate and the ultimate folding transitions in the mesophilic ribozyme become linked into a single transition in the folding of the thermophilic ribozyme. Therefore, the starting point, or reference state, for the transition to the native, functional thermophilic ribozyme is significantly less structured. The shift in the reference state, and the resulting increase in folding cooperativity, is likely due to the stabilization of selected native interactions that only form in the ultimate transition. This mechanism of using a less structured intermediate and increased cooperativity to achieve higher functional stability for tertiary RNAs is fundamentally different from that commonly proposed to explain the increased stability of thermophilic proteins.

High-Temperature Perturbation of Starch Synthesis Is Attributable to Inhibition of ADP-Glucose Pyrophosphorylase by Decreased Levels of Glycerate-3-Phosphate in Growing Potato Tubers1

To investigate the short-term effect of elevated temperatures on carbon metabolism in growing potato (Solanum tuberosum L.) tubers, developing tubers were exposed to a range of temperatures between 19°C and 37°C. Incorporation of [14C]glucose (Glc) into starch showed a temperature optimum at 25°C. Increasing the temperature from 23°C or 25°C up to 37°C led to decreased labeling of starch, increased labeling of sucrose (Suc) and intermediates of the respiratory pathway, and increased respiration rates. At elevated temperatures, hexose-phosphate levels were increased, whereas the levels of glycerate-3-phosphate (3PGA) and phosphoenolpyruvate were decreased. There was an increase in pyruvate and malate, and a decrease in isocitrate. The amount of adenine diphosphoglucose (ADPGlc) decreased when tubers were exposed to elevated temperatures. There was a strong correlation between the in vivo levels of 3PGA and ADPGlc in tubers incubated at different temperatures, and the decrease in ADPGlc correlated very well with the decrease in the labeling of starch. In tubers incubated at temperatures above 30°C, the overall activities of Suc synthase and ADPGlc pyrophosphorylase declined slightly, whereas soluble starch synthase and pyruvate kinase remained unchanged. Elevated temperatures led to an activation of Suc phosphate synthase involving a change in its kinetic properties. There was a strong correlation between Suc phosphate synthase activation and the in vivo level of Glc-6-phosphate. It is proposed that elevated temperatures lead to increased rates of respiration, and the resulting decline of 3PGA then inhibits ADPGlc pyrophosphorylase and starch synthesis.

Electrical investigation of p-type 4H-SiC heavily doped by ion implantation

In the last decades, an increasing interest in the research field of wide bandgap semiconductors was observed, mostly due to the progressive approaching of silicon-based devices to their theoretical limits. 4H-SiC is an example among these, and is a mature compound for applications. The main advantages offered 4H-SiC in comparison with silicon are an higher breakdown field, an higher thermal conductivity, a higher operating temperature, very high hardness and melting point, biocompatibility, but also low switching losses in high frequencies applications and lower on-resistances in unipolar devices. Then, 4H-SiC power devices offer great performance improvement; moreover, they can work in hostile environments where silicon power devices cannot function. Ion implantation technology is a key process in the fabrication of almost all kinds of SiC devices, owing to the advantage of a spatially selective doping. This work is dedicated to the electrical investigation of several differently-processed 4H-SiC ion- implanted samples, mainly through Hall effect and space charge spectroscopy experiments. It was also developed the automatic control (Labview) of several experiments. In the work, the effectiveness of high temperature post-implant thermal treatments (up to 2000°C) were studied and compared considering: (i) different methods, (ii) different temperatures and (iii) different duration of the annealing process. Preliminary p + /n and Schottky junctions were also investigated as simple test devices. 1) Heavy doping by ion implantation of single off-axis 4H-SiC layers The electrical investigation is one of the most important characterization of ion-implanted samples, which must be submitted to mandatory post-implant thermal treatment in order to both (i) recover the lattice after ion bombardment, and (ii) address the implanted impurities into lattice sites so that they can effectively act as dopants. Electrical investigation can give fundamental information on the efficiency of the electrical impurity activation. To understand the results of the research it should be noted that: (a) To realize good ohmic contacts it is necessary to obtain spatially defined highly doped regions, which must have conductivity as low as possible. (b) It has been shown that the electrical activation efficiency and the electrical conductivity increase with the annealing temperature increasing. (c) To maximize the layer conductivity, temperatures around 1700°C are generally used and implantation density high till to 10 21 cm -3 . In this work, an original approach, different from (c), is explored by the using very high annealing temperature, around 2000°C, on samples of Al + -implant concentration of the order of 10 20 cm -3 . Several Al + -implanted 4H-SiC samples, resulting of p-type conductivity, were investigated, with a nominal density varying in the range of about 1-5∙10 20 cm -3 and subjected to two different high temperature thermal treatments. One annealing method uses a radiofrequency heated furnace till to 1950°C (Conventional Annealing, CA), the other exploits a microwave field, providing a fast heating rate up to 2000°C (Micro-Wave Annealing, MWA). In this contest, mainly ion implanted p-type samples were investigated, both off-axis and on-axis <0001> semi-insulating 4H-SiC. Concerning p-type off-axis samples, a high electrical activation of implanted Al (50-70%) and a compensation ratio below 10% were estimated. In the work, the main sample processing parameters have been varied, as the implant temperature, CA annealing duration, and heating/cooling rates, and the best values assessed. MWA method leads to higher hole density and lower mobility than CA in equivalent ion implanted layers, resulting in lower resistivity, probably related to the 50°C higher annealing temperature. An optimal duration of the CA treatment was estimated in about 12-13 minutes. A RT resistivity on the lowest reported in literature for this kind of samples, has been obtained. 2) Low resistivity data: variable range hopping Notwithstanding the heavy p-type doping levels, the carrier density remained less than the critical one required for a semiconductor to metal transition. However, the high carrier densities obtained was enough to trigger a low temperature impurity band (IB) conduction. In the heaviest doped samples, such a conduction mechanism persists till to RT, without significantly prejudice the mobility values. This feature can have an interesting technological fall, because it guarantee a nearly temperature- independent carrier density, it being not affected by freeze-out effects. The usual transport mechanism occurring in the IB conduction is the nearest neighbor hopping: such a regime is effectively consistent with the resistivity temperature behavior of the lowest doped samples. In the heavier doped samples, however, a trend of the resistivity data compatible with a variable range hopping (VRH) conduction has been pointed out, here highlighted for the first time in p-type 4H-SiC. Even more: in the heaviest doped samples, and in particular, in those annealed by MWA, the temperature dependence of the resistivity data is consistent with a reduced dimensionality (2D) of the VRH conduction. In these samples, TEM investigation pointed out faulted dislocation loops in the basal plane, whose average spacing along the c-axis is comparable with the optimal length of the hops in the VRH transport. This result suggested the assignment of such a peculiar behavior to a kind of spatial confinement into a plane of the carrier hops. 3) Test device the p + -n junction In the last part of the work, the electrical properties of 4H-SiC diodes were also studied. In this case, a heavy Al + ion implantation was realized on n-type epilayers, according to the technological process applied for final devices. Good rectification properties was shown from these preliminary devices in their current-voltage characteristics. Admittance spectroscopy and deep level transient spectroscopy measurements showed the presence of electrically active defects other than the dopants ones, induced in the active region of the diodes by ion implantation. A critical comparison with the literature of these defects was performed. Preliminary to such an investigation, it was assessed the experimental set up for the admittance spectroscopy and current-voltage investigation and the automatic control of these measurements.

Aplicação de gelatina obtida de subproduto animal como substituto parcial de gordura em spread de chocolate

O objetivo do presente estudo foi verificação da viabilidade da aplicação de gelatina de pés de frango em spread de chocolate como substituto parcial de gordura. Inicialmente apresentou-se uma revisão de literatura sobre os principais aspectos que envolvem a pesquisa. Após relatou-se a metodologia de extração e caracterização físico-química da gelatina obtida de pés de frango por meio de análises de composição centesimal, de cor, força de gel e análise de perfil de textura (TPA). Posteriormente abordou-se os efeitos da aplicação de gelatina como substituto de gordura nas propriedades físico-químicas e reológicas de spread de chocolate. Por último investigou-se a influência da concentração de gelatina e substituição de gordura na espalhabilidade, estabilidade (shelf life), custos e propriedades sensoriais dos spreads de chocolate. Para tanto, foi utilizado planejamento experimental Central Composto Rotacional e metodologia de superfície de resposta. Os resultados da extração de gelatina de subproduto de frango indicaram que as peles e tendões dos pés de frango possuem rendimento (7,83 %) e conteúdo mineral (1,92 %), apresentando alto teor proteico (84,96 %) próximo das gelatinas comerciais. Em concentração de 6,67 % a gelatina demonstrou elevada força de gel (294,78 g), comportando-se na análise de perfil de textura como um sólido. Os dados relacionados às formulações de spread de chocolate demonstraram que tanto o nível de substituição de gordura quanto a concentração de gelatina exerceram efeitos significativos (p<0,05) sobre a cor, volume, densidade e comportamento reológico dos produtos, exceto a atividade de água que foi influenciada apenas pelo primeiro fator. Sob a perspectiva reológica apenas a amostra com maior nível de substituição de gordura foi classificada como pseudoplástica. A gelatina contribuiu no aumento do teor proteico das formulações. A consistência foi significativamente (p<0,05) influenciada pelas propriedades da fase de gelatina, apresentando ampla faixa de plasticidade nas diferentes temperaturas (10, 20 e 30 °C). A consistência dos spreads aumentou em todas as temperaturas durante os 90 dias de armazenamento. Observou-se por meio da análise sensorial que os fatores em estudo provocaram alterações nos atributos sensoriais do produto suficiente para a percepção dos provadores. A formulação com 75 % de substituição de gordura seguida pelas formulações com 50 % e 0,8 % de concentração de gelatina apresentaram a maior aceitabilidade. Com o máximo de substituição de gordura chegou-se a 53 % de redução de custos. Contudo, os resultados obtidos sugerem que a aplicação de gelatina de pés de frango pode ser vantajosa, já que contribuiu com a formulação de spreads de chocolate menos calóricos e com propriedades físico-químicas e sensoriais adequadas para uma possível comercialização.

Otimização do método lignina brometo de acetila na determinação do teor de lignina em plantas forrageiras e comparação com os métodos lignina detergente ácido e lignina Klason

Técnicas analíticas empregadas para a quantificação do teor de lignina em plantas forrageiras, atualmente em uso, são questionáveis quanto às suas acurácias. O método lignina detergente ácido (LDA), que é um dos métodos mais utilizado em Ciência Animal e Agronomia, apresenta algumas falhas, particularmente devido à parcial solubilização da lignina durante a preparação da fibra em detergente ácido (FDA). A lignina Klason (LK), outro método muito usado, apresenta o inconveniente de mensurar a proteína da parede celular como sendo lignina. Em ambos os procedimentos recomenda-se também mensurar cinzas nos resíduos de lignina. A quantificação da concentração de lignina pelo método espectrofotométrico lignina brometo de acetila (LBA) vem ganhando interesse de pesquisadores no Brasil e no exterior. Nesta metodologia, a lignina da planta contida na preparação parede celular (PC) é solubilizada numa solução a 25% de brometo de acetila em ácido acético e a absorbância mensurada é com luz UV a 280 nm. O valor da absorbância é inserido numa equação de regressão e a concentração de lignina é obtida. Para que esta técnica analítica seja mais aceita pelos pesquisadores, ela deve ser, obviamente, convincente e atrativa. O presente trabalho analisou alguns parâmetros relacionados à LBA em 7 gramíneas e 6 leguminosas, em dois estádios de maturidade. Dentre as diferentes temperaturas de pré-secagem, os resultados indicaram que os procedimentos de 55°C com ventilação e liofilização podem ser utilizados com a mesma eficácia. As temperaturas de 55°C sem ventilação e 80°C sem ventilação não são recomendadas, pois aumentaram os valores de FDA e LDA, possivelmente devido ao surgimento de artefatos de técnica como os compostos de Maillard. No método LBA os valores menores das amostras de leguminosas chamaram a atenção e colocaram em questão se a lignina destas plantas seria menos solúvel no reagente brometo de acetila. Dentre algumas alterações na metodologia da técnica LBA, a utilização do moinho de bolas (para diminuir o tamanho particular) nas amostras de PC não mostrou efeito; a hipótese era melhorar a solubilização da lignina usando partículas menores. O uso de um ultrasonicador, que aumenta a vibração das moléculas e assim, facilitaria a solubilização da lignina no reagente brometo de acetila, melhorou a solubilização da lignina em cerca de 10%, tanto nas gramíneas como nas leguminosas. Foi acoplado um ensaio biológico como referência, a degradabilidade in vitro da matéria seca (DIVMS); e como a lignina está intimamente associada à estrutura fibrosa da parede celular, também foi feito um ensaio de degradabilidade in vitro da fibra em detergente neutro (DIVFDN). Os resultados confirmaram o efeito da maturidade, reduzindo a degradabilidade nas plantas mais maduras, e que o teor de lignina de leguminosas é realmente inferior ao de gramíneas. Os resultados de degradabilidade apresentaram coeficientes de correlação mais elevados com o método LBA, quando foi empregada a técnica do ultrasom; o método LK mostrou os menores coeficientes. Também testou-se, com sucesso, a utilização da FDN, como preparação fibrosa, ao invés de PC. A razão é simples: enquanto que a FDN é amplamente conhecida, a preparação PC não o é. Inquestionável que esta manobra facilitará substancialmente a divulgação desse método, tornando-a mais aceitável pela comunidade científica

Produção e caracterização de biomateriais acelulares bioativos obtidos a partir da decelularização de placentas

A bioengenharia de tecidos baseia-se no uso de moléculas bioativas, células-tronco e biomateriais para reparação de tecidos e/ou órgãos. Biomateriais podem ser classificados de acordo com sua origem em sintéticos ou biológicos. Biomateriais biológicos podem ser produzidos por decelularização, que visa a remoção de células da matriz extracelular (MEC), a qual deve manter sua integridade química e física. Placentas são órgãos de grande interesse na bioengenharia de tecidos visto que são descartadas após o parto e possuem grande volume de matriz extracelular. Métodos de decelularização podem ser classificados em químicos, físicos e enzimáticos. Todos conhecidamente causam alterações na MEC, sendo que a associação deles é comumente utilizada. Este trabalho comparou diferentes protocolos e estabeleceu um método mais favorável para a decelularização de placentas caninas, visando a produção de um biomaterial para futuras aplicações clínicas. Inicialmente ambas as porções - materna e fetal - das placentas foram submetidas à 10 protocolos, que avaliaram variáveis como concentração e tempo de incubação em detergentes, diferentes gradientes de temperatura e a influência da perfusão versus imersão das soluções, na MEC remanescente. Com base na transparência do tecido e na ausência de núcleo celular em cortes histológicos, dois protocolos foram selecionados (I e II). Além dos critérios já mencionados, ambos os protocolos foram comparados quanto à quantidade de DNA remanescente na MEC decelularizada e à permanência e distribuição de algumas das proteínas da matriz. O detergente SDS foi o mais eficaz na remoção de células, embora não tenha sido suficiente para promover uma decelularização tecidual completa. O congelamento prévio das placentas requereu um maior tempo de incubação posterior das amostras nos distintos detergentes. Ambos métodos de perfusão e imersão foram eficazes na remoção das células, embora grande concentração de proteínas do citoesqueleto tenham permanecido retidas na matriz. As amostras processadas pelo protocolo I (SDS 1%, 5mM EDTA + 50mM TRIS + 0,5% antibiótico, e Triton X-100 1%) apresentaram maior preservação da organização estrutural da MEC quando comparadas àquelas processadas de acordo com o protocolo II (que diferiu do anterior pela utilização de solução contendo 0,05% tripsina ao invés de 50mM TRIS), esse último método entretanto foi o que melhor removeu as células das placentas, conforme observado em lâminas histológicas e demonstrado pela menor concentração de DNA. Tanto as porções materna quanto fetal submetidas à ambos protocolos, mantiveram as proteínas laminina, fibronectina e colágeno tipo I. O colágeno tipo III foi observado somente na porção fetal. Conclui-se que o protocolo II foi o mais eficaz no processo de decelularização de placentas caninas tendo promovido a remoção do conteúdo celular e diminuição da concentração de DNA na MEC remanescente. No entanto é necessário otimizar o tempo de incubação das placentas em soluções enzimáticas visando maior conservação do arranjo da matriz decelularizada. A análise da capacidade da MEC decelularizada por tal método para ser utilizada em bioengenharia de tecidos ainda deve ser avaliada in vitro e in vivo

Brownian Carnot engine

The Carnot cycle imposes a fundamental upper limit to the efficiency of a macroscopic motor operating between two thermal baths. However, this bound needs to be reinterpreted at microscopic scales, where molecular bio-motors and some artificial micro-engines operate. As described by stochastic thermodynamics, energy transfers in microscopic systems are random and thermal fluctuations induce transient decreases of entropy, allowing for possible violations of the Carnot limit. Here we report an experimental realization of a Carnot engine with a single optically trapped Brownian particle as the working substance. We present an exhaustive study of the energetics of the engine and analyse the fluctuations of the finite-time efficiency, showing that the Carnot bound can be surpassed for a small number of non-equilibrium cycles. As its macroscopic counterpart, the energetics of our Carnot device exhibits basic properties that one would expect to observe in any microscopic energy transducer operating with baths at different temperatures. Our results characterize the sources of irreversibility in the engine and the statistical properties of the efficiency-an insight that could inspire new strategies in the design of efficient nano-motors.

Efeito da temperatura de revenimento sobre o grau de sensitização e resistência à corrosão por pite de aços inoxidáveis supermartensíticos contendo 13% Cr, 5% Ni, com e sem adições de Nb e Mo.

O desenvolvimento dos aços inoxidáveis Super-Martensíticos (SM) nasce da necessidade de implementar novas tecnologias, mais econômicas e amigáveis ao meio ambiente. Os aços inoxidáveis SM são uma derivação dos aços inoxidáveis martensíticos convencionais, diferenciando-se basicamente no menor teor de carbono, na adição de Ni e Mo. Foram desenvolvidos como uma alternativa para aços inoxidáveis duplex no uso de dutos para a extração de petróleo offshore em meados dos anos 90. Para que esses aços apresentem as propriedades mecânicas de resistência à tração e tenacidade é necessário que sejam realizados tratamentos de austenitização, seguido de têmpera, e de revenimento, onde, particularmente para este último, há várias opções de tempos e temperaturas. Como os tratamentos térmicos geram as propriedades mecânicas através de transformações de fase (precipitação) podem ocorrer alterações da resistência à corrosão. São conhecidos os efeitos benéficos da adição de Nb em aços inoxidáveis tradicionais. Por isso, o objetivo desta pesquisa foi estudar aços inoxidáveis SM contendo Nb. Foi pesquisada a influência da temperatura de revenimento sobre a resistência à corrosão de três aços inoxidáveis SM, os quais contêm 13% Cr, 5% Ni, 1% a 2% Mo, com e sem adições de Nb. No presente trabalho, foram denominados de SM2MoNb, SM2Mo e SM1MoNb, que representam aços com 2% Mo, 1% Mo e 0,11% Nb. Dado que os principais tipos de corrosão para aços inoxidáveis são a corrosão por pite (por cloreto) e a corrosão intergranular (sensitização), optou-se por determinar os Potenciais de Pite (Ep) e os Graus de Sensitização (GS) em função da temperatura de revenimento. Os aços passaram por recozimento a 1050°C por 48 horas, para eliminação de fase ferrita delta. Em seguida foram tratados a 1050 °C por 30 minutos, com resfriamento ao ar, para uniformização do tamanho de grão. A estrutura martensítica obtida recebeu tratamentos de revenimento em temperaturas de: 550 °C, 575 °C, 600 °C, 625 °C, 650 °C e 700 °C, por 2 horas. O GS foi medido através da técnica de reativação eletroquímica potenciodinâmica na versão ciclo duplo (DL-EPR), utilizando-se eletrólito de 1M H2SO4 + 0,01M KSCN. Para determinar o Ep foram realizados ensaios de polarização potenciodinâmica em 0,6M NaCl. Os resultados obtidos foram discutidos através das variações microestruturais encontradas. Foram empregadas técnicas de microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), simulação termodinâmica de fases através do programa Thermo-Calc e determinação de austenita revertida mediante difração de raios X (DRX) e ferritoscópio. A quantificação da austenita por DRX identificou que a partir de 600 °C há formação desta fase, apresentando máximo em 650 °C, e novamente diminuindo para zero a 700 °C. Por sua vez, o método do ferritoscópio detectou austenita nas condições em que a analise de DRX indicou valor nulo, sendo as mais críticas a do material temperado (sem revenimento) e do aço revenido a 700 °C. Propõe-se que tais diferenças entre os dois métodos se deve à morfologia fina da austenia retida, a qual deve estar localizada entre as agulhas de martensita. Os resultados foram discutidos em termos da precipitação de Cr23C6, Mo6C, NbC, fase Chi, austenita e ferrita, bem como das consequências do empobrecimento em Cr e Mo, gerados por tais microconstituintes. São propostos três mecanismos para explicar a sensitização: o primeiro é devido a precipitação de Cr23C6, o segundo a precipitação de fase Chi (rica em Cr e Mo) e o terceiro é devido a formação de ferrita durante o revenimento. O melhor desempenho quanto ao GS foi obtido para os revenimentos a 575 °C e 600°C, por 2 horas. Os resultados de Ep indicaram que o aço SM2MoNb, revenido a 575°C, tem o melhor desempenho quanto à resistência à corrosão por cloreto. Isso associado ao baixo GS coloca este aço, com este tratamento térmico, numa posição de destaque para aplicações onde a resistência à corrosão é um critério de seleção de material, uma vez que, segundo a literatura a temperatura de 575 °C está no intervalo de temperaturas de revenimento onde são obtidas as melhores propriedades mecânicas.