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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Influência do bombardeamento iônico com gases nobres nas tensões residuais em semicondutores covalentes (silício) e ligas metálicas (aço)
Title Alternative: Influence of noble gas ionic bombardment on residual stress in covalent semiconductors (silicon) and metallic alloys (steel)
Author: Cucatti, Silvia Azevedo dos Santos, 1989-
Advisor: Alvarez, Fernando, 1946-
Abstract: Resumo: A presente tese aborda o estudo das tensões residuais induzidas em materiais sujeitos ao processo de bombardeamento iônico com gases nobres. Em condições adequadas, este tratamento em sólidos resulta em auto-organização dos átomos da superfície e modificações estruturais como aumento de defeitos cristalinos e tensões residuais. Tais modificações podem ser aplicadas para obtenção de sistemas auto-organizados de partículas metálicas depositadas nos substratos previamente submetidos ao tratamento com íons. Além disso, o bombardeamento também pode ser combinado com nitretação, processo que consiste na incorporação de nitrogênio na superfície e subsequente difusão em volume, resultando em maior eficiência da difusão de nitrogênio e melhoria nas propriedades mecânicas finais dos materiais tratados. Para o entendimento desses sistemas e controle dos resultados, a caracterização de tensões nos substratos bombardeados se mostrou essencial. Sendo assim, o propósito desta tese foi realizar um estudo sistemático do efeito do bombardeamento com íons de gases nobres sobre o estado de tensões residuais em aço AISI 316L e Si(001), materiais selecionados por sua importância na indústria de transformação e na microeletrônica, respetivamente. O íon escolhido para o estudo foi o Xe devido a sua grande massa relativa, tornando as mudanças estruturais resultantes do processo mais evidentes. Estudamos também as tensões em revestimentos de TiN crescidos via deposição por feixe de íons sobre substratos de Si(001) nanoestruturados através de bombardeamento, investigação de grande importância pelo uso desse filme como barreira de difusão em sistemas de partículas metálicas depositadas sobre esse material. No caso do Si(001), como bem estabelecido, o bombardeamento com íons de Xe gera uma superfície ondulada e periódica. Nos estudos com AISI 316L verificamos a formação de padrões dependentes da orientação cristalina do substrato. Tais comportamentos podem ser satisfatoriamente descritos por modelos invocando mecanismos como a dependência do sputter yield com a curvatura da superfície, difusão atômica na superfície do material, composição do substrato, energia e densidade de corrente dos íons, dentre outros. Estudos da microestrutura de Si(001) bombardeado foram realizados utilizando radiação sincrotron (LNLS, Campinas ¿ SP), radiação esta necessária para obtenção de difratogramas com boa resolução e relação sinal-ruído na investigação de poucas camadas atômicas do material modificado. Especificamente, realizamos mapeamento do espaço recíproco de planos cristalinos perpendiculares à superfície e observamos que o tratamento com íons induz uma interface amorfo-cristalina ondulada com periodicidade caracterizada por um "comprimento de onda" dependente das condições experimentais. Ambos Si(001) e AISI 316L bombardeados apresentam tensões residuais compressivas com características que podem ser explicados pelo efeito knock-on, efeito esse que considera as múltiplas colisões dos íons incidentes com os átomos do substrato. A diferença de comportamento das tensões entre os materiais investigados foi atribuída às suas respostas elásticas distintas oriundas da natureza de suas ligações químicas. As ligações do Si(001) são covalentes, rígidas e fortemente direcionais, tornando este material menos tolerante a deformações em relação ao aço, que possui ligação metálica. Em relação ao filme fino de TiN, as tensões residuais surgem por fatores tais como a diferença entre parâmetro de rede do filme e substrato e são influenciadas por defeitos, recristalização e coalescência cristalina. As tensões encontradas nos revestimentos investigados são homogêneas no plano da superfície. A componente de tensão na direção perpendicular à superfície é nula pelo parâmetro de rede do filme não estar vinculado ao substrato nessa direção. Em conclusão, a tese apresenta resultados originais em relação a tensões geradas pelo bombardeamento. Através de estudos em materiais específicos encontramos comportamentos associados às ligações químicas, de forma que resultados similares são esperados em outros materiais de ligação covalente ou metálica após este processo. Finalmente, obtivemos uma contribuição importante na quantificação das tensões nos materiais estudados que devem ser consideradas no entendimento de auto-organização de nanopartículas metálicas crescidas sobre esses substratos aplicadas, por exemplo, em carpetes ordenados de nanotubos de carbono e estudos de catálise

Abstract: This thesis deals with residual stress remaining in materials subjected to noble gas ion bombardment process. Besides this, under suitable conditions, the ionic bombardment in solids results in self-organization of the surface atoms and structural modifications such as crystalline defects, periodic ripples, and mound. These can be applied to obtain self-organized systems of metal particles deposited on the substrates previously treated by the bombarding procedure. In addition, this process can also be combined with plasma nitriding treatments, consisting in the incorporation of nitrogen on the surface and subsequent diffusion in volume. These combined techniques improve both nitrogen diffusion and final mechanical properties of the treated materials. For the understanding of the effects of the bombarding treatment on the materials and control of the experimental results, the characterization of residual stresses in the bombarded substrates is essential. Thus, the thesis focus on a systematic study on the effect of noble gas ion bombardment on the residual stress state in AISI 316L steel and Si(001), selected materials for their importance in the transformation industry and microelectronics. The bombardment procedure was performed using Xe ions due to their large mass that enhance the structural changes resulting from the treatment. We also studied the residual stress in TiN coatings grown by ion beam deposition on bombarded nanostructured Si(001) substrates, motivated by the fact that this coating is used as a diffusion barrier in metallic particle systems deposited on the cited substrates and its properties are modified by residual stress. In the case of Si(001), as it is well established, Xe ion bombardment in adequate conditions generates periodic patterns on the surface material. In AISI 316L is observed the formation of patterns that depend on the crystalline orientation of the substrate. These behaviors can be satisfactorily described by models invoking mechanisms such as the dependence of sputter yield with surface curvature, atomic diffusion on the surface of the material, substrate composition, energy and current density of the ions, among others. The microstructure of bombarded Si(001) were investigated using synchrotron radiation (LNLS, Campinas - SP) since this type of radiation is required in order to obtain diffractograms with good resolution and signal-to-noise ratio when analyzing few atomic layers of the modified material. Specifically, we performed reciprocal space mapping of crystalline planes perpendicular to the surface and we observed that the treatment with ions induces an undulated amorphous-crystalline interface with periodicity characterized by a "wavelength" depending on the experimental conditions. Both Si(001) and AISI 316L present compressive residual stresses after bombardment. The stress characteristics can be explained by the knock-on effect, which considers multiple collisions of the incident ions with the substrate atoms. The difference in stress behavior between the investigated materials was attributed to their different elastic responses arising from the nature of their chemical bonds. The Si (001) bonds are covalent, rigid and directional, undergoing less deformation when subjected to bombardment as compared to steel, which has metallic bonds. Regarding the TiN thin film, residual stresses arise by factors such as the difference between the lattice parameter of the film and substrate, being also influenced by defects, recrystallization and crystalline coalescence. The stress found in the investigated coatings is biaxial and homogeneous in the plane of the surface, while the stress component in the perpendicular direction is null since the lattice parameter of the film in this direction is not constrained to the planar size of the substrate. In conclusion, the thesis presents original results regarding the stress generated by the bombardment. Through studies in specific materials, we found behaviors associated to chemical bonds, thus similar results are expected in other covalent or metallic bonding materials after this process. Finally, we have made an important contribution in the quantification of residual stress in the studied materials, which should be considered in the understanding of self-organization of metal nanoparticles grown on these substrates for potential application in ordered carbon nanotubes carpets and catalysis studies, for example
Subject: Bombardeio iônico
Tensões residuais
Aço inoxidável
Silício
Raios X - Difração
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: CUCATTI, Silvia Azevedo dos Santos. Influência do bombardeamento iônico com gases nobres nas tensões residuais em semicondutores covalentes (silício) e ligas metálicas (aço). 2018. 1 recurso online (87 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/333171>. Acesso em: 22 abr. 2019.
Date Issue: 2018
Appears in Collections:IFGW - Tese e Dissertação

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