Palavras-chave: (Nanoesferas; Litografia de nanoesferas; Fabricação de cristais)

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1 FABRICAÇÃO DE CRISTAIS COLOIDAIS Nome dos autores: Leonaldo Carvalho Evangelista 1 Alexsandro Silvestre da Rocha 2 Denisia Soares Brito 3 1 Aluno do Curso Licenciatura em Física; Campus de Araguaína; leonaldocarvalho03@gmail.com- PIBIC/Permanência 2 Orientador do Curso Licenciatura em Física ; Campus de Araguaína; alexsandro@uft.edu.br 3 Co-autora, Técnica do LABMADE; Campus de Araguaína; denisiabrito@uft.edu.br RESUMO O LABMADE (Laboratório de pesquisa em Materiais para Aplicações em Dispositivos Eletrônicos) emprega a litografia de nanoesferas (LiN) na fabricação de materiais nanoestruturados. A técnica de LiN utiliza cristais coloidais (estruturas porosas periódicas formadas a partir do auto-ordenamento de esferas submicrométricas), como moldes no processo de nanoestruturação de materiais, onde o material a ser nanoestruturado preenche os interstícios da máscara, que é então removida. O presente trabalho vem justamente promover estudo e formas de produção destes moldes, confeccionando e analisando cristais formados pro sedimentação inclinada, uma técnica simples e de baixo custo. Palavras-chave: (Nanoesferas; Litografia de nanoesferas; Fabricação de cristais) INTRODUÇÃO A Litografia de Nanoesferas (LiN) possibilita fabricar nanoestruturas periódicas de baixo custo, pois não há a manipulação direta das nanoesferas; já que elas se autoorganizam sob a ação de forças capilares (DENKOV, 1992), formando estruturas periódicas cúbicas ou hexagonais de médio ou longo alcance, dependendo do refinamento da técnica de ordenamento utilizada. Os processos tradicionais de litografia nanométrica, como por feixe de elétrons, exigem equipamentos caros e sofisticados, produzindo nanoestruturação apenas na direção do feixe. Outra singularidade da LiN é que a nanoestruturação do material ocorre no plano e perpendicular ao filme, gerando propriedades diferenciadas dependentes da espessura, como o campo coercivo oscilatório de materiais magnéticos porosos (ZHUKOV, 2005).

2 O processo litográfico empregando esferas em escala nanométrica só foi possível com o desenvolvimento de rotas de síntese química que permitiram fabricar de colóides esféricos e monodispersos (STOBER, 1968; KRIEGER, 1968; MURAMATSU, 2004; MCLACHLAN, 2004). Os coloides monodispersos mais usuais são de polimetilmetacrilato (PMMA), poliestireno (PS), ou sílica (SiO 2 ), com diâmetros entre 50 nm a 1000 nm. Neste trabalho produzimos cristais contendo várias camadas de coloides de Poliestireno com aproximadamente 350 nm de diâmetro e nanoesferas de Sílica com tamanho estimado em 400 nm, organizados pela técnica de sedimentação gravitométrica inclinada sobre substrato de vidro recoberto por uma fina camada transparente e condutora de Óxido de Estanho dopado com Índio. MATERIAL E MÉTODOS Fabricação de cristais coloidais bi e tridimensionais de qualidade: Máscaras bi e tridimensionais de poliestireno e de sílica foram fabricadas por sedimentação gravitométrica inclinada, a partir de colóides dispersos em água, sobre substratos de vidro recobertos por um filme transparente condutivo de Óxido de Estanho dopado com Índio (ITO). Nanoesferas utilizadas: Os colóides de SiO 2 com aproximadamente 400 nm empregados na cristalização foram sintetizados no próprio LABMADE. Já as esferas de Poliestireno foram doados pelo Laboratório de Sistemas Nanoestruturados (LabSiN) do Departamento de Física da Universidade Federal de Santa Catarina(UFSC). Monitoramento da qualidade: A qualidade das máscaras foram monitorada por microscopia ótica (no próprio laboratório) e eletrônica de varredura (na UFSC). RESULTADOS E DISCURSÃO Os coloide de Sílica com aproximadamente 400 nm de diâmetro foram sintetizados no próprio laboratório, e as esferas nanométricas de Poliestireno com diâmetro de 350 nm foram doadas pelo Laboratório de Sistemas Nanoestruturados (LabSiN) do Departamento de Física da Universidade Federal de Santa Catarina(UFSC). Ambas as soluções coloidais necessitavam do processo final de refinamento, ou seja, separar os coloides dos resíduos da síntese (reagentes químicos

3 não sintetizados) e redispersão em água. O processo de lavagem é efetuado da seguinte maneira; a solução com os colóides e monômero é disposta em micro tubos e levada a uma centrífuga onde permanece durante dez minutos a 2000 rotações por minuto, após este tempo os colóides são retidos no fundo do frasco e o sobrenadante é retirado com a ajuda de uma micro pipeta, a quantidade de líquido retirada é preenchida com água destilada e deionizada, este processo é repetido dez. Após o processo de lavagem é necessário que seja calculada a concentração de esferas na solução, para isto a solução é centrifugada novamente, o líquido removido, o sólido pesado com o auxílio de uma balança analítica, e o solvente reposto de acordo com a concentração desejada (aproximadamente 10%). Se o processo de lavagem não for efetuado com sucesso a reação química continua e os colóides acabam conectado químicamente, como pode ser visto na Figura 01. Figura 01: A micrografia mostra um aglomerado de colóides de sílica causado pela continuidade da reação química após um processo de lavagem mal sucedido. Os Cristais Coloidais foram preparados por sedimentação inclinada, que consiste em dispor as lâminas de vidro cobertas com ITO de aproximadamente 1 cm quadrado a um determinado ângulo de inclinação, pingar sobre ele 60 l de solução coloidal e deixá-las secar. Os colóides em solução aquosa com aproximadamente 10% de concentração de esferas foi depositada sobre o substrato (inclinado a 14 graus), e permaneceu em repouso dentro de um dissecador de vidro por 72 horas, durante este período a temperatura da sala foi mantida em torno de 21 C. Para garantir um processo de secagem lento as amostras permaneceram fechadas, com o fundo do recipiente preenchido com 1 litro de água (as amostras não entram em contato direto com a água). O cristal formado por esferas de Poliestireno (Figura 02) resultou em uma grande área de depósito, mostrando-se compacto e ordenado.

4 (a) 11 a 14 de dezembro de 2012 Campus de Palmas (b) Figura 02: Imagens de microscopia eletrônica do cristal coloidal formado por esferas de poliestireno evidenciando o ordenamento de longo alcance. (a) Mostra o topo da amostra com um aumento de vezes e (b) com um aumento de 3000 vezes apresenta um corte transversal na amostra. As imagens de MEV (Microscópio Eletrônico de Varredura) apresentadas na Figura 02 mostram um cristal compacto e bem ordenado, além disto podemos ver em (b) a espessura com aproximadamente 60 camadas de esferas (altura de 20,4 μm). A Figura 03 mostra as tentativas de cristalizar coloides de sílica por inclinação gravitométrica sobre o substrato já citado, como pode ser visto os resultados não foram satisfatórios. (a) (b) Figura 03: Imagens de MEV do cristal coloidal formado por esferas de sílica. (a) Mostra o topo da amostra (aumento de vezes) e (b) um corte transversal (6000 vezes de aumento). A impossibilidade de produzir cristais de qualidade empregando SiO 2 sobre vidro/ito deve-se provavelmente pela densidade da sílica (o dobro da água usada como solvente) e a taxa lenta de secagem (72 horas). Acreditamos que as esferas se depositam rapidamente no fundo da solução antes da evaporação do solvente, interferindo no processo de auto-organização. Como já obtivemos bons resultados no ordenamento de coloides de sílica alterando a composição do solvente (substituindo uma parte da água por álcool), pretendemos retornar a empregar este método nos próximos experimentos. LITERATURA CITADA

5 DENKOV, N. D.; VELEV, O. D.; KRALCHEVSKY P. A., et al. Mechanism of Formation of 2-Dimensional Crystals From Latex-Particles on Substrates. Langmuir. 8, 3183 (1992). ZHUKOV, A.; GONCHAROV, A. V.; de GROOT, P., et. al. Oscillatory thickness dependence of the coercive field in magnetic three-dimensional antidot arrays from self-assemby. J. Appl. Phys., 97, 10J101 (2005). STOBER, W.; FINK, A.; BOHN, E. Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in Micron Size Range. Journal Colloid and Interface Science.26, 62 (1968). KRIEGER, M, O NEILL, F. M. Diffraction of Light by Arrays of Colloidal Spheres. J. Am. Chem. Soc. 90, 3114 (1968). MURAMATSU, L. V. Obtenção de Partículas Micrométricas para Máscaras de Litografia. Laboratório Nacional de Luz Síncrotron, Relatório Final PIBIC set/2003 a jun/2004. Orientado por D. ZANCHET. MCLACHLAN, M. A.; JOHNSON, N. P.; DE LA RUE, R. M.; MCCOMB, D. W. Thin film photonic crystals: synthesis and characterisation. J. Mater. Chem., 14, 144 (2004). AGRADECIMENTOS "O presente trabalho foi realizado com o apoio do INEO, da Secretaria de Ciências e Tecnologia do Estado do Tocantins e do Laboratório de Sistemas Nanoestruturados.