51 O equipamento utilizado foi o microscópio de força atômica (AFM) Shimadzu SPM9700 no modo contato instalado no LFFPP do ICTE da UFTM e a rugosidade calculada, a partir das imagens, com o software Shimadzu Manager V.4.01.O equipamento pode ser visualizado nas figuras 22a 22b e as especificações técnicas na tabela 3. Figura 22 - Shimadzu SPM9700 (a) partes do equipamento, (b) foto no LFFPP (a) Fonte: catalogo do equipamento (b)
52 Tabela 3 especificações técnicas do AFM Shimadzu SPM9700 Especificação Descrição Faixa de varredura máxima (x, y,z) Standard scanner X and Y: 30 "m Z: 5 "m Tamanho de amostra maximo Max.: 24 mm dia. 8 mm Resolução X, y- 0,2 nm Z 0,01 nm padrão: Contact, Dynamic, Phase Lateral Modos de observação Force (LFM), Force Modulation opcional: Magnetic Force (MFM), Current Surface, Potential (KFM) Fonte: catálogo do equipamento As medidas de rugosidade e morfologia foram analisadas em 12 amostras, sendo um grupo de quatro amostras para cada um dos três tipos de filme metálico produzidos. Em cada grupo foram medidas quatro rugosidades e avaliadas morfologias diferentes para cada valor de espessura dos filmes. No item 4.1 são apresentados os resultados e as imagens tridimensionais da rugosidade e morfologia dos filmes analisados. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES Para comprovar a o funcionamento adequado da fonte quatro amostras dos materiais Aço inox 304, cobre e tungsténio foram produzidas e analisadas. Serão apresentadas as medidas de espessura, resistência, resistência de folha, resistividade e rugosidade para cada uma das amostras. Uma discussão será realizada a respeito do comportamento da resistividade em função da espessura.
53 4.1. ANALISE DAS AMOSTRAS DE FILMES PRODUZIDOS 4.1.1. Aço inoxidável 304 Na tabela 4 estão apresentados os valores das medidas de espessura, rugosidade e resistência nos filmes de aço inoxidável 304. As medidas foram obtidas pelas técnicas de medição de perfilometria, método das quatro pontas e microscopia de força atômica, já descritas anteriormente. Serão apresentadas também, a resistência de folha e a resistividade, por meio de cálculos, cujas equações foram apresentadas em secções anteriores. Na figura 23 apresentase a variação da resistividade em função da espessura. Para o gráfico da figura 23, é possível observar que há para pequenas espessuras a resistividade do filme de aço inoxidável 304 (AI) aumenta consideravelmente. Este efeito se deve provavelmente a dois fatores, sendo eles, o efeito do tamanho dos grãos que formam o filme bem como o efeito da espessura de oxido formado quando os filmes são expostos à atmosfera. Para valores maiores de espessura, é possível notar que o valor da resistividade tende ao valor de resistividade do aço inoxidável 304 encontrado na literatura que é de 3,83x10-8.m!(Moleda, Fontana, limberger, & Silva, 2010). Tabela 4- Medidas dos filmes de aço inoxidável 304 Filmes de aço inoxidável 304 Amostra Espessura (nm) Resistência ( ) Resistência de folha ( /!) Resistividade (.m) Rugosidade (nm) AI01 70,0±2,7 2,322±0,076 10,520±0,343 7,4±0,4 x 10-7 1,2 AI02 56,8±3,9 3,798±0,089 17,207±0,402 9,8±0,7 x 10-7 0,7 AI03 47,0±3,8 24,466±1,652 110,833±7,483 5,2±0,5 x 10-6 0,5 AI04 26,3±2,0 1039,730±130,859 4710,042±588,250 1,2±0,2 x 10-4 0,4
54 Figura 23- Variação da resistividade em função da espessura para as amostras de aço inoxidável 304. A linha que liga os pontos do gráfico possui mera função de orientação visual e não representa uma linha de tendência. 4.1.1.1. Medidas de morfologia de superfície para o aço inoxidável 304 Nas figuras 24 a 27 são apresentadas as características morfológicas dos filmes de aço inoxidável 304 obtidas através do microscópio de força atômica, usando o modo contato. É possível observar pelas figuras que não se pode estabelecer uma relação entre a espessura dos filmes e a variação em Z de cada amostra. No caso do filme da figura 24 com espessura de 70,04 nm Z varia de 0 a 20 nm e no filme da figura 25 de 56,76 nm Z varia de 0 a 9,4 nm. No filme da figura 26 de espessura 46,96 nm Z varia de 0 a 8,25 nm e no filme da figura 27 de 26,33 nm Z varia de 0 a 7,24 nm. A análise aprofundada desse comportamento não é o foco deste trabalho, mas os dados obtidos podem servir a estudos futuros.
55 Figura 24 -Morfologia da amostra 1 de aço inoxidável 304, espessura de 70,04 nm Figura 25 - Morfologia da amostra 2 de aço inoxidável 304, espessura de 56,76 nm
56 Figura 26 -Morfologia da amostra 3 de aço inoxidável 304, espessura de 46,96 nm Figura 27 - Morfologia da amostra 4 de aço inoxidável 304, espessura de 26,33 nm
57 4.1.2. Cobre Na tabela 5 estão apresentados os valores das medidas de espessura, rugosidade e resistência nos filmes de cobre. Da mesma forma que nas medidas dos filmes de aço inoxidável 304, as medidas para o cobre foram obtidas pelas técnicas de medição de perfilometria, método das quatro pontas e microscopia de força atômica, já descritas anteriormente. Tabela 5- medidas dos filmes de cobre Filmes de cobre Amostra Espessura (nm) Resistência ( ) Resistência de folha ( /!) Resistividade (.m) Rugosidade (nm) Cu01 156,0±9,7 0,078±0,002 0,355±0,008 5,5±0,4 x 10-8 0,2 Cu02 138,7±8,0 0,100±0,003 0,454±0,016 6,3±0,4 x 10-8 0,6 Cu03 104,3±3,8 0,592±0,034 2,682±0,156 2,8±0,2 x 10-7 0,5 Cu04 21,3±1,9 48,710±1,585 220,660±7,181 4,7±0,4 x 10-6 0,3 Também estão apresentadas a resistência de folha e a resistividade, que neste caso, foram obtidas por cálculos, cujas equações também já foram descritas. Na figura 28 apresenta-se a variação da resistividade em função da espessura. Para o gráfico da figura 28, é possível observar que o comportamento da resistividade em função da espessura do cobre se assemelha ao comportamento apresentado no aço inoxidável 304, ou seja, para pequenas espessuras a resistividade do filme de cobre aumenta consideravelmente. Este efeito também se deve provavelmente a dois fatores, sendo eles, o efeito do tamanho dos grãos que formam o filme bem como o efeito da espessura de oxido formado quando os filmes são expostos à atmosfera. Um outro fator que influenciou no valor da resistividade foi o fato do material de cobre utilizado como alvo não ser puro. Para valores maiores de espessura, é possível notar que o valor da resistividade tende a estabilizar-se se aproximando do valor de resistividade para o cobre encontrado na literatura que é de 1,723x10-8.m.!(Boylestad, 2004).
58 Figura 28 - Variação da resistividade em função da espessura para as amostras de cobre. A linha que liga os pontos do gráfico possui mera função de orientação visual e não representa uma linha de tendência. 4.1.2.1. Medidas de morfologia de superfície para o cobre Nas figuras de 29 a 32 são apresentadas as características morfológicas dos filmes de cobre obtidas através do microscópio de força atômica. Como nos filmes de aço inox 304, as variações em Z dos filmes de cobre não apresentaram um padrão de comportamento que pode ser relacionado com a espessura, mas que possivelmente está relacionado ao material do filme e à região em que a amostra foi analisada. Estes dados podem servir a estudos futuros porem não foram o foco deste trabalho.
59 Figura 29 - Morfologia da amostra 1 de cobre, espessura de 156 nm Figura 30 - Morfologia da amostra 2 de cobre, espessura de 138,7nm
60 Figura 31 - Morfologia da amostra 3 de cobre, espessura de 104,25 nm Figura 32 - Morfologia da amostra 4 de cobre, espessura de 21,34 nm
61 4.1.3. Tungstênio Na tabela 6 estão apresentados os valores das medidas de espessura, rugosidade e resistência nos filmes de Tungstênio. Da mesma forma que nas medidas dos filmes de aço inoxidável 304 e de cobre, as medidas para o tungstênio foram obtidas pelas técnicas de medição de perfilometria, método das quatro pontas e microscopia de força atômica, já descritas anteriormente. Tabela 6 - Medidas dos filmes de tungstênio Filmes de tungstênio Amostra Espessura (nm) Resistência ( ) Resistência de folha ( /!) Resistividade ( m) Rugosidade (nm) W01 92,8±2,9 23,515±0,731 106,522±3,311 9,9±0,4 x 10-6 0,9 W02 52,7±3,5 37,894±2,212 171,663±10,021 9,0±0,8 x 10-6 1,2 W03 36,8±3,4 173,362±8,371 785,339±37,920 2,9±0,3 x 10-5 0,2 W04 26,9±3,0 1814,429±113,045 8219,478±512,083 2,2±0,3 x 10-4 1,2 Também estão apresentadas a resistência de folha e a resistividade, que neste caso, foram obtidas por cálculos, cujas equações também já foram descritas. Na figura 33 apresenta-se a variação da resistividade em função da espessura. Para o gráfico da figura 33, é possível observar que o comportamento da resistividade em função da espessura do tungstênio se assemelha ao comportamento apresentado no aço inoxidável 304 e do cobre, ou seja, para pequenas espessuras a resistividade do filme de tungstênio aumenta consideravelmente, é possível notar que o valor da resistividade diminui mas tende a estabilizar-se em um valor 100 vezes maior que o valor encontrado na literatura para o tungstênio que é de 5,6x10-8.m!(Boylestad, 2004). O motivo dessa diferença não foi alvo de investigação neste trabalho. As motivações desta grande diferença na resistividade, pode ser atribuída às explicações apresentadas ao final deste capítulo.
62 Figura 33 - Variação da resistividade em função da espessura para as amostras de tungstênio. A linha que liga os pontos do gráfico possui mera função de orientação visual e não representa uma linha de tendência. 4.1.3.1. Medidas de morfologia de superfície para o tungstênio Nas figuras de 34 a 37 são apresentadas as características morfológicas dos filmes de Tungstênio obtidas através do microscópio de força atômica. A variação em Z dos filmes de tungstênio também não apresentaram um padrão de comportamento que pode ser relacionado com a espessura, mas que possivelmente está relacionado ao material do filme e à região em que a amostra foi analisada. Estes dados podem servir a estudos futuros porem não foram o foco deste trabalho.
63 Figura 34 - Morfologia da amostra 1 de tungstênio, espessura de 92,8 nm Figura 35 - Morfologia da amostra 2 de tungstênio, espessura de 52,7 nm
64 Figura 36 - Morfologia da amostra 3 de tungstênio, espessura de 36,8 nm Figura 37 - Morfologia da amostra 4 de tungstênio, espessura de 26,9 nm
65 Quando se trata de filmes finos, os valores encontrados para as resistividades medidas não são os mesmos que os encontrados na literatura para os mesmos materiais. Um fator que possivelmente influencia no valor da resistividade, é a exposição à atmosfera após a deposição. Esta exposição provoca a oxidação da superfície do filme e influência no valor da resistividade. Outro fator pode ser atribuído ao processo de formação dos cristais que em filmes finos são menores que no material em volume (Miyazaki & FU, 2009). Nos filmes mais finos estudados observa-se que as resistividades aumentam consideravelmente para todos os materiais. Esse resultado pode ser devido a dois processos que ocorrem durante o crescimento dos filmes. Como o processo de formação do filme se dá pela aderência das partículas (Chapman, 1980), vão se formando ilhas que em filmes muito finos podem não se tocar. Devido à falta de conexões entre essas ilhas a dificuldade para circulação da corrente aumenta e consequentemente a resistividade aumenta consideravelmente. Em filmes muito finos, a camada de óxido formada devido à exposição ao ar atmosférico é considerável comparada à camada não oxidada do filme. Como os óxidos geralmente são materiais semicondutores ou isolantes, haverá grande influência do óxido no valor da resistividade medida tendendo a aumentá-la consideravelmente.
66 5. CONCLUSÕES A experiência adquirida durante o desenvolvimento deste projeto mostrou que desenvolver equipamentos de alta tensão requer cuidados especiais devido à formação de campos elétricos de grande intensidade de forma a não comprometer o funcionamento do mesmo e a segurança do operador. De modo geral para todos materiais analisados, a resistividade diminuiu em função do aumento da espessura. A resistividade obtida para os filmes mais espessos aproximou-se dos valores existentes na literatura nos casos do aço inoxidável e do cobre e se apresentou distante para caso o tungstênio. Fato que não foi alvo de investigação desse trabalho. Nas características morfologias das amostras de cada material analisado, não foi possível observar uma relação direta entre a espessura e a rugosidade. A fonte de alta tensão desenvolvida neste trabalho atendeu satisfatoriamente a todos os propósitos para os quais ela foi construída, ou seja, deposição de diferentes filmes finos em diferentes condições de deposição. Como exemplo de aplicação foram depositados filmes de aço inox 304, cobre e tungsténio, em diferentes espessuras e com todos os resultados de resistividade obtidos em função da espessura. Portanto este trabalho oferece as informações de projeto, confiabilidade necessárias e um custo dos materiais de aproximadamente R$ 3600,00. Este resultado viabiliza a reprodução do equipamento por outros laboratórios e centros de pesquisa afins.
67 6. BIBLIOGRAFIA Auciello, O., Mantese, L., Duarte, J., Chen, X., Rou, S. H., Kingon, A. I.,... Krauss, A. R. (1993). J. appl. Phys. 73. Barbi, I. (2007). Projetos de fontes chaveadas (2ª ed.). Santa Catariana: Editora do autor. Barros, R. L. (2012). FABRICAÇÃO, CARACTERIZAÇÃO E APLICAÇÕES DO COMPÓSITO PZT/PVDF. 39-39. Berry, R. N., Hall, P. M., & Harris, M. T. (1968). Thin Film Technology. New York,: Van Nostrand Reinhold Co. Binnig, G., & Quate, C. F. (1986). Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett, 56. Boylestad, R. L. (2004). Introdução à Análise de Circuitos (10 ed.). São Paulo: Pearson Prentice Hall. Chapman, B. N. (1980). Glow Discharge Processes. New York: John Wiley &. Chen, T. K., Wong, M. S., & Yeh, J. W. (2005). Surface & Coatings Technology 200. Davis, W. D., & Vanderslice, T. A. (1963). Phys. rev. 121. De Keijser, M., & Dormans, G. J. (1996). MRS Bulletin. Ferreira, F. (2007). PIC programação em C (7 ed.). São Paulo: Érica. Garcia, R., & Pérez, R. (2002). Dynamic atomic force microscopy methods. Surf. Sci. Rep, 47. Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2006). Fundamentos de Física 2 Gravitação,. (7). Hsua, j. H., & Sahu, D. R. (2005). Appl. Phys. Lett. 86. Kav, E. J. (1963). Appl. Phys. 34. kim, K. T., Lee, J. M., Song, S. H., & Kim, C. I. (2005). Thin Solid Films 475. Lima, E. C., Guarany, C. A., & Araujo, E. B. (2006). Construção de um sistema de pulverizaçaõ catôdica DC de baixo Custo para deposição de filmes metálicos. revista Brasileira de Aplicações de Vácuo, 25, 203-208. Malvino, A. P. (1997). Eletrônica (4ª ed., Vol. 1). Makrom Books. Malvino, A. P. (1997). Eletrônica (4ª ed., Vol. 2). Makron Books. Miyazaki, S., & FU, Y. Q. (2009). Thin film shape memory alloys- fundamentals and device applications. New York: cambridge University Press. Moleda, A. C., Fontana, A. A., limberger, I. F., & Silva, R. B. (2010). Simulação Numérica do Crescimento da Lentilha de Solda Obtida pelo Processo de Soldagem a Ponto por Resistência Elétrica. Soldag. insp, 15, 307-3016.
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69 Anexo1 Desenhos das peças que compõem o equipamento