- Modificação superficial com o objetivo de prover novas propriedades físicas e químicas aos componentes revestidos

Transcrição

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2 Introdução Filmes Finos: O que são e para que servem?

3 Filmes finos - Filmes (revestimentos) com pequena espessura, na faixa de poucos nanometros (10-9 m)a alguns micrometros (10-6 m) Revestimento por solda: >1mm Aspersão Térmica: microns Galvanoplastia: microns - Faixa típica de espessura para filmes finos: 10nm a 10um

4 Filmes finos: Para que servem? - Modificação superficial com o objetivo de prover novas propriedades físicas e químicas aos componentes revestidos i) resistência ao desgaste; ii) resistência à corrosão; iii) propriedades óticas; iv) propriedades elétricas; v) propriedades magnéticas; - Uso racional de materiais avançados. ex: resistência a corrosão através da modificação apenas da porção superficial do componente, que efetivamente participa do processo;

5 Filmes finos: Para que servem? - Permitem recobrir um material sem que haja perda dos detalhes microscópicos da superfície

6 Filmes finos: Para que servem? - Agregam novas propriedades aos materiais sem perda de funcionalidade do substrato ex: filmes finos de TiO2 (absorção de UV, autolimpante) sobre vidro, mantendo a transparência do mesmo

7 MECANISMO NUCLEAÇÃO DOS FILMES 1. nucleação 2. crescimento 3. coalescência canais 5. buracos 6. Filme contínuo

8 MODOS DE CRESCIMENTO DOS FILMES Modo ilha ou modo de Volmer-Weber. MododecamadasoudeFrankeVanderMerwe. Modo de Stranski-Krastanov. Determinado pelo: modo de nucleação difusão na superfície efeitos de energia de superfície no substrato

9 Crescimento ilha Crescimento de camadas Crescimento Stranski-Krastanov

10 Métodos de deposição PVD e CVD

11 CVD CVD - Chemical Vapor Deposition - Técnica de deposição a partir da reação química de precursores gasosos na superfície do substrato - Método empregado também na síntese de materiais avançados i) nanopartículas de óxidos, nitretos, carbetos ii) negro de fumo e dióxido de titânio iii) nanotubos de carbono

12 CVD CVD - Chemical Vapor Deposition - Origem da técnica Produção de filamentos para lâmpadas WCl5 + H2 W + HCl

13 CVD - Mecanismos de deposição (1) Transporte dos reagentes pelo fluxo dos gases de partida; (2) Geração de intermediários reativos por reação de fase gasosa, com adsorção destes intermediários no substrato; (3) Reação do intermediário com a superfície; (4) Difusão de massa na superfície (5) Nucleação e reações químicas de superfície que levam à formação do filme desejado; (6) Desorção e transporte de massa dos subprodutos formados em (2).

14 CVD - Reações químicas endotérmicas, difusão e barreiras de energia para nucleação e cristalização exigem fontes de energia externa - Aquecimento resistivo direto do substrato ou do suporte do substrato; - Aquecimento por rf(frequência de rádio); - Radiação; - Processos cinéticos fortemente influenciados pela temperatura de reação

15 CVD - Implementação do método

16 CVD - Crescimento do filme em função da temperatura Baixas temperaturas: taxa de crescimento controlado pela cinética das reações em estado gasoso e entre gás/substrato (crescimento exponencial em função de T) Temperatura média: taxa de crescimento controlado pelo transporte de massa e difusão Altas temperaturas: cinética controlada pelas reações de desorção (gargalo)

17 CVD - Crescimento do filme Formação de ilhas, que são os núcleos de formação e crescimento do filme

18 PECVD VARIAÇÕES DO PROCESSO DE CVD - PECVD (Plasma Enhanced CVD) Criado para contornar a maior limitação do processo CVD convencional: aquecer o sistema a temperaturas da ordem de o C Utilização de plasma para ativar as reações químicas permite reduzir a temperatura para T < 400 o C Opera em pressões reduzidas (necessárias para estabilizar o plasma)

19 Plasma: gases ionizados e eletricamente neutros ex: Ar Ar + + e - PECVD Colisão entre as moléculas dos precursores e os elétrons do plasma ativam as reações químicas Se uma d.d.p (10-20V) é aplicada ao substrato, o bombardeio de elétrons ajuda a densificar o filme fino

20 Spray pyrolysis VARIAÇÕES DO PROCESSO DE CVD - Spray Pyrolysis Processo de deposição através da aspersão de uma solução líquida contendo o precursor A técnica é considerada um CVD em função da interação entre a fase gasosa formada na evaporação da solução (próxima a superfície) e a superfície

21 - Spray Pyrolysis Spray pyrolysis Mecanismo de formação dos filmes 1. Atomização da solução 2. Transporte das gotículas até o substrato 3. Evaporação do solvente 4. Decomposição do precursor 5. Reação e formação do filme

22 Spray pyrolysis - Parâmetros de processo mais importantes i) Temperatura do substrato ii) Temperatura de evaporação do solvente iii) T decomposição do precursor iv) Distância entre atomizador e superfície v) Tamanho das gotas

23 precursores p/ cvd - Requisitos necessários para os precursores utilizados nos processos de CVD - Suficiente estabilidade em alta temperatura (evitar decomposição prematura); - Diferença apreciável entre Tdecomp e Tevap (p/ líquidos) - Elevada pureza; - Decomposição sem incorporação de impurezas; - Compatibilidade entre diferente precursores; - Custo compatível; - Baixa toxicidade;

24 PVD - PVD (Physical Vapor Deposition) - Famílica de técnicas de deposição onde a formação do vapor envolve somente métodos físicos (em contraste com o CVD, onde envolve reações químicas) - Origem: Michael Faraday (1857) Evaporação de arames metálicos pela passagem de corrente elétrica - Assim como o CVD, também pode ser usado para a síntese de nanopartículas pela condensação do vapor

25 PVD - Mecanismo de deposição Condensação de vapor na superfície

26 PVD - Mecanismo de deposição Influência da temperatura de deposição na estrutura dos filmes

27 PVD MÉTODOS DE GERAÇÃO DE VAPOR - Evaporação resistiva - Aquecimento do material até sua evaporação (requer vácuo) - Vapor condensa ao encontrar o substrato - Difícil deposição de ligas (diferentes pressão de vapor)

28 PVD MÉTODOS DE GERAÇÃO DE VAPOR - Sputtering

29 - Sputtering PVD

30 PVD - Sputtering reativo Adição de gases reativos pode ser usado na formação de filmes finos de composição complexa e diferente do alvo Exemplo: Sputtering de Ti por um plasma contendo Ar e N2 Ti + (Ar,N2) TiN - Magnetron Sputtering Campo magnético utilizado para aumentar a eficiência de ionização do Ar, aumentando a taxa de deposição

31 PVD MÉTODOS DE GERAÇÃO DE VAPOR - EB-PVD (Electron Beam PVD) Evaporação é realizada através do aquecimento por canhão de elétrons

32 PVD - EB-PVD (Electron Beam PVD) Potência do canhão de elétrons: dezenas a centenas de kw Potencial de aceleração dos elétrons: típicamente 20-25kV Taxa de deposição pode ser facilmente controlada: nm/min até µm/min

33 PVD MÉTODOS DE GERAÇÃO DE VAPOR - PLD (Pulsed Laser Deposition) Evaporação é realizada através da sublimação do alvo através de pulsos de laser altamente energético.

34 PVD - PLD (Pulsed Laser Deposition) Taxa de deposição facilmente controlada: 0,1 Å/s a 1nm/s Composição química do alvo é mantida no revestimento - permite a deposição de substâncias com composição química complexa Ex: supercondutores de YBa2C3uO7 Biocerâmicas: Ca10(PO4)6(OH)10

35 Filmes de Carbono Diamond Like Carbon

36 HISTÓRICO Obtido pela primeira vez em 1971 por Aisenberg e Chabot através de ion beam deposition.

37 ESTRUTURAS CRISTALINAS DO CARBONO Diamante: possui quatro orbitais sp 3, os quais originam ligações C-C com átomos adjacentes. Estas ligações proporcionam ao diamante alta dureza e condutividade térmica.

38 ESTRUTURAS CRISTALINAS DO CARBONO Grafite: possui três orbitais sp 2, arranjados num plano, com cada átomo de C ligado fortemente a outros três átomos de C. As camadas de átomos de carbono são atraídasentresiporforçasdevanderwaals. Esta estrutura lamelar confere à grafite baixo coeficiente de atrito.

39 ESTRUTURAS CRISTALINAS DO CARBONO Nano tubos e Fulerenos: possui três orbitais sp 2, e um elétron deslocalizado, formando três ligações C-C.

40 ESTRUTURAS CRISTALINAS DO CARBONO Diamond Like Carbon: apresenta falta de periodicidade tridimensional e contém uma mistura de ligações sp 3 e sp 2 com átomos de carbono coordenados em uma rede desordenada. Podem ser hidrogenados.

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42 Property Diamond DLC Graphite Density (g/cm 3 ) Atomic Number Density (Mole/cm 3 ) Hardness (Kgf/mm 2 ) Friction Coeff Refractive Index Transparency UV-VIS-IR VIS-IR Opaque Resistivity (Ωcm) >

43 PROPRIEDADES Os filmes DLC têm propriedades que são, de certa forma, similares às do diamante e grafite, as quais estão relacionadas ao tipo de ligação entre os átomos de carbono e a quantidade relativa dessas ligações. altadureza. alta resistência ao desgaste/abrasão. baixo coeficiente de atrito. inércia química. alta resistência elétrica. biocompatibilidade.

44 ELETRODEPOSIÇÃO Deposição pela aplicação de uma diferença de potencial entre o substrato e um contra eletrodo, a partir de um eletrólito orgânico, que serve como fonte de carbono. Etapas: Polarização. Energização. Oxi-redução. Vantagens: não necessita de altas temperaturas, nem vácuo, fácil controle operacional, possibilidade de produção em larga escala. Desvantagens: tempo de deposição, aplicação de altos potenciais, produção de filmes extremamente finos.

45 Mecanismo de Deposição 1. Sob altos potenciais, as moléculas orgânicas são induzidas a se polarizar e tornam-se moléculas energizadas. 2. As moléculas energizadas CH3X* movem-se para a superfície do eletrodo e são adsorvidas nos sítios ativados, transformando-se em moléculas ativadas. 3. As moléculas ocasionam reações de redução-oxidação no eletrodo resultando em carbono e outros produtos.

46 Transientes de Corrente Acompanhamento da variação das densidades de corrente durante o tempo de eletrodeposição. Dá idéia da formação e continuidade do filme.

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