Fabricação de membranas de silício e estudo do efeito do nitreto de nióbio sobre o fator de qualidade elétrico nos transdutores do detector Mario Schenberg

• Ano de defesa: 2015
• Autor(a) principal: Enrique Klai de França
• Orientador(a): Antonio Fernando Beloto, Odylio Denys de Aguiar
• Banca de defesa: Carina Barros Mello, Rogério de Moraes Oliveira, Kilder Leite Ribeiro, Leide Lili Gonçalves da Silva Kostov
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
• País: BR
• Resumo em Inglês: In order to improve the transduction system of the \emph{Mario Schenberg} Detector, Silicon membranes were manufactured with thicknesses of 18, 23, and 29 $\mu$m, and thicker central regions with sides of the order of 2.5 to 3 mm. The manufacturing process for these membranes consisted of manufacturing steps such as thermal oxidation, optical lithography and chemical etching with KOH. The membranes were characterized by the Astrophysics Division of INPE (DAS / INPE) for use in the second generation of the transducers of the gravitational wave detector \emph{Mario Schenberg}. The dimensions led, therefore, to large aspect/thickness ratios. Other Silicon membranes were also made for use in a new generation of the transducers of the \emph{Mario Schenberg} detector. Membranes were obtained with thicknesses of 38 and 44 $\mu$m using the \emph{Atlas Potassium} etching reactor acquired for this purpose. In this case, the manufacturing process of membranes involved only the process of chemical etching with KOH. On another front, ${''}$Klystron${''}$ type reentrant cavities made of Niobium 99.9\% were machined and tested cryogenically to determine the electrical resonance frequencies and unloaded electrical Q factors (Q$_{eo}$) as a function of electromagnetic coupling. The samples were subjected to a surface treatment involving chemical/physical processes with acids, argon ion sputtering and nitrogen plasma immersion ion implantation (3IP). With this surface treatment unloaded Q factors (Q$_{eo}$) of 1.14.10$^{4}$ and 2.52.10$^{5}$ in 4.2 K were obtained. These results indicated a significant increase in the effect of superconductivity after the cavity walls have been heavily attacked by a concentrated acid mixture and after they have suffered successive nitrogen deployments. Higher values of the Q$_{eo}$ ${'}$S$\approx$ 3,0.10$^{5}$ in 4.2 K, in future work, are expected to be obtained using high purity Niobium with a suitable surface treatment. These cavities, with high Q$_{eo}$, are already installed and being tested in Gravitational Wave Detector \emph{Mario Schenberg}.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2015/10.26.12.34

Visando aprimorar o sistema de transdução do Detector de Ondas Gravitacionais Mario Schenberg, foram fabricadas membranas de silício com espessuras de 18, 23 e 29 $\mu$m, e regiões espessas centrais da ordem de 2,5 e 3 mm de lado. O processo de fabricação destas membranas consistiu em etapas de fabricação como Oxidação térmica, Litografia ótica e Corrosão química em KOH. As membranas foram caracterizadas pela Divisão de Astrofísica do INPE (DAS/INPE) para uso na segunda geração de transdutores do Detector de Ondas gravitacionais \emph{Mario Schenberg}. As dimensões levaram, portanto, a razões aspecto/espessura bastante grandes. Também foram fabricadas outras membranas de silício para uso numa nova geração de transdutores do Detector \emph{Mario Schenberg}. Foram obtidas membranas com espessuras de 38 e 44 $\mu$m com o uso do reator de corrosão \emph{Atlas Potassium} adquirido para este fim. Neste caso, o processo de fabricação destas membranas envolveu apenas o processo de Corrosão química em KOH. Em outra frente, cavidades reentrantes feitas de nióbio 99,9\% do tipo ${''}$klystron${''}$ foram usinadas e testadas criogenicamente para determinação das frequências de ressonâncias elétricas e dos fatores Q não-carregados (Q$_{eo}$) em função do acoplament eletromagnético. As amostras foram submetidas a um tratamento superficial que envolveu processos químicos/físicos com ácidos, sputtering de argônio e implantação iônica por imersão em plasma (3IP) de nitrogênio. Com este tratamento superficial foram obtidos fatores Q não-carregados (Q$_{eo}$) de 1,14.10$^{4}$ e 2,52.10$^{5}$ em 4,2 K. Estes resultados indicaram um aumento significativo no efeito da supercondutividade nas cavidades após terem sido fortemente atacadas pela mistura concentrada de ácidos e após sofrerem implantações seguidas de nitrogênio. Espera-se obter em trabalhos futuros Qeos superiores a 3,0.10$^{5}$ em 4,2 K através da utilização de nióbio de alta pureza e de um tratamento superficial adequado. Estas cavidades com alto Qeo já se encontram instaladas e em fase de testes no Detector de Ondas Gravitacionais Mario Schenberg.