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Title: Modelo de histerese para transição semicondutor-metal em filmes finos de VO2.
Other Titles: Hysteresis model for semiconductor-metal transition in VO2 thin films.
???metadata.dc.creator???: ALMEIDA, Luiz Alberto Luz de.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: LIMA, Antonio Marcus Nogueira.
DEEP, Gurdip Singh.
NEFF, Helmut Franz.
???metadata.dc.contributor.referee1???: BASTOS, João Pedro Assumpção.
???metadata.dc.contributor.referee2???: AGUIRRE, Luis Antonio.
???metadata.dc.contributor.referee3???: BARROS, Péricles Rezende.
???metadata.dc.contributor.referee4???: NAIDU, Sreeramulu Raghuram.
Issue Date: 11-Mar-2003
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: ALMEIDA, Luiz Alberto Luz de. Modelo de histerese para transição semicondutor-metal em filmes finos de VO2. 145f. (Tese de Doutorado em Engenharia Elétrica), Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Engenharia Elétrica e Informática , Universidade Federal de Campina Grande – Paraíba Brasil, 2003.
???metadata.dc.description.resumo???: O dióxido- de vanádio (V02 ) e utilizado na fabricação de sensores e transdutores com aplicações cm detecção, modulação e chaveamento ótico. Quando depositado na forma, de um filme fino, apresenta transição de fase de estado solido, que resulta em mudanças significativas nas propriedades elétricas e óticas do filme, que se transforma de semicondutor para metal, a depender da, temperatura do filme. 0 filme fino de V02 vem sendo utilizado na fabricação de sensores termoresistivos para detecção de radiação infravermelho. Estes sensores combinados com o circuito eletrônico de polarização são chamados bolômetros. 0 dióxido de vanádio surgiu como alternativa atraente na construção de bolômetros, pois possuem uma sensibilidade elevada, em comparação com demais materiais. Os bolômetros baseados no V02 são usualmente operados na região semicondutora, cujo coeficiente de variação da resistência R com a temperatura T e da ordem de 3%°C-1. Na região de transição este coeficiente é tipicamente 60% ° C - 1, podendo alcançar valores ainda maiores. Entretanto, esta região exibe a não-linearidade de histerese, o que dificulta o projeto e a análise de bolômentros que operem na região de transição. Recentemente, foi proposta uma técnica experimental indicando a possibilidade de utilizar os filmes dc VO2 como bolômetro na região de transição e aproveitar o valor elevado de sensibilidade. Entretanto, o estudo teórico do desempenho de um bolômetro baseado no V 0 2 requer um modelo que descreva a característica histerética RxT. A compreensão das não-linearidades na relação histerética RxT se apresenta como sendo fundamental na analise de qualquer aplicação utilizando filmes finos de V02, especialmente em microbolômetros. Esta tese e orientada para o desenvolvimento de um modelo de histerese que possa ser utilizado como ferramenta de analise e projeto de microbolômetros de V02 e de outras aplicações correlates. Nesse sentido, foi inicialmente proposto um novo modelo algébrico de para histerese magnética, cunhado de modelo de Proximidade ao Lago Principal (Limiting Loop Proximity (L2P) model). Com apenas quarto parâmetros, o modelo L2P demanda baixa carga computacional e possui complexidade matemática reduzida. Isto permite uma rápida implementação numérica e procedimento simples de estimação de parâmetros. Considerando o filme de V02 como um meio misto, contendo microcristais no estado semicondutor e metálico, foi proposta a utilização da teoria do meio efetivo para, relacional a fração volumétrica dos microcristais com a resistência efetiva do filme. 0 modelo L2P foi então proposto para descrever a dependência histerética da resistência com a temperatura do filme e e capaz de reproduzir as principais características da histerese, tais como lagos maiores, menores e aninhados em boa concordância com as características experimentais.
Abstract: Microbolometers, operating at room temperature and employing vanadium-dioxide (V02) thin film as the heat sensing material, have emerged as a promising solution for far infrared imaging, providing a wide range of military, industrial and commercial applications. The V 0 2 thin film is characterized by a solid-state phase transformation from semiconducting type at low temperatures into metallic type at higher temperatures. Recent fabrication techniques permit the deposition of vanadium dioxide films, having a temperature coefficient of resistance (TCR = ;|gp) of 3%C_ 1 in the semiconducting region that increases to values as large as 60%-C- 1 in the hystcretic transition region. Despite this pronounced increase of the TCR, V02 - t h i n film microbolometers are commonly operated outside the hysterctic region, in the semiconducting part of its resistance-temperature (R x T) curve. Experimental results, indicating a considerable increase in the sensitivity, have been recently reported for a V 0 2 - t h i n film microbolometer operating in the hystcretic region. The theoretical prediction of bolometric performance in the transition region is quite complex, due to the hysteresis in the RxT characteristics. Thus, the analysis, design, and optimization of a V 0 2 microbolometer, operating in the hystcretic region, is critically dependent on the availability of a hysteresis model that can mathematically describe both the major and minor loops. This thesis is focused on the development of a hysteresis model which can be employed as an analysis tool in the design of V 0 2 microbolometer and other related applications of this material. For this purpose, it is first proposed a new algebraic model to describe magnetic hysteresis, which I call Limiting Loop Proximity (L2P) model. With only four parameters, it has low computational cost and reduced mathematical complexity, thus permitting a fast numerical implementation and simple parameter estimation procedure. Considering the V 0 2 thin film as a composite medium, containing semiconducting and metallic microcrystals, the wellknown effective-medium approximation theory is employed to relate the volume fraction of the semiconducting microcrystals to the effective film resistance. The L2P model is first proposed for describing the hystcretic dependence of volume fraction on temperature. From this, a model for hysteresis in the resistance-temperature characteristic is then derived, and a procedure for estimating the model parameters is outlined. The model reproduces the more important hysteretic characteristics such as the major, minor, and nested loops, in good agreement with the experimental characteristics.
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/10930
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