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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2016.tde-19122016-103030
Documento
Autor
Nome completo
Roman Spirin
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2016
Orientador
Banca examinadora
Salvadori, Maria Cecilia Barbosa da Silveira (Presidente)
Tschiptschin, Andre Paulo
Added, Nemitala
Mansano, Ronaldo Domingues
Migliano, Antonio Carlos da Cunha
Título em português
Testes e aplicação de um novo implantador iônico.
Palavras-chave em português
Circuitos eletrônicos
Implantação iônica
Implantador invertido
Nanocompósitos
Percolação
resistividade
TRIDYN
Resumo em português
Esse trabalho descreve um implantador iônico em termos de sua caracterização e aplicação. O texto está dividido em três capítulos que são apresentados resumidamente a seguir. O primeiro capítulo descreve em detalhes um novo tipo de implantador, denominado implantador invertido. Nesse capítulo é descrito o desenvolvimento e a caracterização do implantador invertido. A otimização de uma parte dos circuitos eletrônicos e o desenvolvimento e construção do restante dos circuitos é dada em detalhes. Uma caracterização do implantador quanto à maximização do feixe iônico é apresentada, onde é realizado um estudo sistemático com a variação de parâmetros como potencial extrator, corrente do canhão de plasma (arco catódico) dentre outros. Finalizando o primeiro capítulo, é apresentado um mapeamento da densidade do feixe iônico no porta amostras do implantador invertido. No segundo capítulo é discutida a neutralidade do feixe iônico do implantador invertido. Um feixe neutro viabiliza implantações em amostras isolantes, sem que haja acúmulo de cargas positivas, o que levaria a amostra a um potencial diferente do planejado. A energia de implantação efetiva foi avaliada estudando os perfis de implantação através de microscopia de força atômica condutiva (AFM-C) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM), e comparando com simulações numéricas realizadas pelo programa TRIDYN. Os resultados sugerem que o feixe não é neutro. No terceiro capítulo, o implantador invertido foi utilizado para modificação de superfície de alumina, gerando uma camada de nanocompósito logo abaixo de sua superfície, formada por nanopartículas de titânio na matriz de alumina. A formação dessas nanopartículas se dá espontaneamente e pode ser explicada pela ocorrência de concentração dos átomos metálicos acima do limite de solubilidade no substrato implantado, levando à nucleação e crescimento das nanopartículas metálicas. Caracterização por TEM foi utilizada para a visualização direta das nanopartículas que apresentaram dimensões da ordem de 20 nm. Simulações utilizando o programa TRIDYN foram realizadas, gerando perfis de profundidade dos íons de titânio implantados no substrato de alumina, que mostraram excelente acordo com o perfil em profundidade obtido por RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Medidas de resistividade da camada compósita foram obtidas, in situ, em função da dose implantada. Utilizando modelos teóricos de percolação foi possível determinar a dose de saturação φ0 = 2,2 x 1016 átomos/cm2, que é a dose máxima para a qual o material continua a ser um nanocompósito, e para a condutividade de saturação foi φ0 = 480 S/m. A dose de percolação obtida foi φc = 0,84 x 1016 átomos/cm2, que é a dose abaixo da qual o material tem a mesma condutividade que a matriz isolante. O expoente crítico obtido foi t = 1,4 e, como a condição t < 2 é satisfeita, o processo de condutividade se dá devido a percolação, sendo o tunelamento desprezível.
Título em inglês
Tesis and application of new ion implanter.
Palavras-chave em inglês
Inverted implanter
Ion implantation
Nanocomposite
Percolation
Resistivity
TRIDYN
Resumo em inglês
This work describes an ion implanter in terms of characterization and application. The text is divided in three chapters that are briefly presented below. The first chapter describes in detail a new type of implanter called inverted implanter. In this chapter is considered my contribution in the development and characterization of the inverted implanter. The optimization of part of the electronic circuits, and development and construction of other circuits are given in details. A characterization of the implanter by the maximization the ion beam is presented, where is carried out a systematic study through the variation of parameters such as extractor potential, plasma gun current (cathodic arc) and others. Finally, it presents a mapping of the ion beam density at the sample holder of the inverted implanter. The second chapter discusses the neutrality of the ion beam of the inverted implanter. A neutral beam allows implantation into insulating samples without positive charges accumulation, which would lead sample at a different potential than expected. The effective energy evaluation was carried out studying the implantation profiles by conductive atomic force microscopy (AFM-C) and transmission electron microscopy (TEM), and compared with numerical simulations performed by TRIDYN program. The results suggest that the ion beam isn't neutral. In the third chapter, the inverted implanter was used for alumina surface modification, generating a nanocomposite layer just below the surface, formed by titanium nanoparticles in alumina matrix. The nanoparticles formation occurs spontaneously and can be explained by the occurrence of metal atom concentration above the solubility limit in the impalnted substrate, leading to nucleation and growth of metal nanoparticles. Characterization by TEM was used for direct visualization of the nanoparticles what presented dimensions of about 20 nm. Simulations using the TRIDYN program were performed, generating depth profiles of titanium ions implanted into the alumina substrate, which showed excellent agreement with the depth profile obtained by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Resistivity measurements were obtained from the composite layer, in situ, as function of implanted dose. Using theoretical percolation models, it was possible to determine the saturation dose φ0 = 2,2 x 1016 atoms/cm2, that is the maximum dose for which the material remains a nanocomposite, and the saturation conductivity φ0 = 480 S/m. The percolation was achieved for dose φc = 0,84 x 1016 atoms/cm2, that is the dose below which the material has the same conductivity as the insulating matrix. The critical exponent obtained was t = 1,4 and, since it satisfies to condition t < 2, the conductivity process is due to percolation, tunneling being negligible.
 
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RomanSpirinCorr16.pdf (4.69 Mbytes)
Data de Publicação
2016-12-20
 
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  • Salvadori, M. C., et al. A high voltage pulse power supply for metal plasma immersion ion implantation and deposition [doi:10.1063/1.3518969]. Review of Scientific Instruments [online], 2010, vol. 81, p. 124703.
  • SALVADORI, M. C., et al. Gold ion implantation into alumina using an 'inverted ion source' configuration. Review of Scientific Instruments, 2014, vol. 85, p. 02B502.
  • Salvadori, M. C., et al. Gold nanoparticle formation in diamond-like carbon using two different methods: Gold ion implantation and co-deposition of gold and carbon [doi:10.1063/1.4757029]. Journal of Applied Physics [online], 2012, vol. 112, p. 074312.
  • Salvadori, M. C., et al. Low cost ion implantation technique [doi:10.1063/1.4768699]. Applied Physics Letters [online], 2012, vol. 101, p. 224104.
  • Salvadori, M. C., et al. Performance of an inverted ion source [doi:10.1063/1.4793377]. Review of Scientific Instruments [online], 2013, vol. 84, p. 023506.
  • Salvadori, M.C., et al. Microcavity-array superhydrophobic surfaces: Limits of the model. Journal of Applied Physics, 2013, vol. 114, p. 174911.
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