View
213
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Filmes finos
- Filmes (revestimentos) com pequena espessura, na faixa depoucos nanometros (10-9m)a alguns micrometros (10-6m)poucos nanometros (10-9m)a alguns micrometros (10-6m)
Revestimento por solda: >1mmAspersão Térmica: 100-1000 micronsGalvanoplastia: 10 - 500 microns
- Faixa típica de espessura para filmes finos: 10nm a 10um- Faixa típica de espessura para filmes finos: 10nm a 10um
Filmes finos: Para que servem ?
- Modificação superficial com o objetivo de prover novaspropriedades 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 daporção superficial do componente, que efetivamente participado processo;
Filmes finos: Para que servem ?- Permitem recobrir um material sem que haja perda dosdetalhes microscópicos da superfície
Filmes finos: Para que servem ?
- Agregam novas propriedades aos materiais sem perdade funcionalidade do substratoex: filmes finos de TiO (absorção de UV, autolimpante)ex: filmes finos de TiO2 (absorção de UV, autolimpante)sobre vidro, mantendo a transparência do mesmo
MECANISMO NUCLEAÇÃO DOS FILMES
1
1. nucleação 2. crescimento 3. coalescência
1
5432
6
4. canais 5. buracos 6. Filme contínuo
6
MODOS DE CRESCIMENTO DOS FILMES
Modo ilha ou modo de Volmer-Weber.
Modo de camadas ou de Frank e Van der Merwe.Modo de camadas ou de Frank e Van der Merwe.
Modo de Stranski-Krastanov.
Determinado pelo:modo de nucleação
difusão na superfície
efeitos de energia de superfície no substrato
CVDCVD - Chemical Vapor Deposition
- Técnica de deposição a partir da reação química de- Técnica de deposição a partir da reação química deprecursores gasosos na superfície do substrato
- Método empregado também na síntese de materiaisavançadosi) nanopartículas de óxidos, nitretos, carbetosii) negro de fumo e dióxido de titânioiii) nanotubos de carbono
CVDCVD - Chemical Vapor Deposition
- Origem da técnica- Origem da técnica
Produção de filamentos para lâmpadas
WCl5 + H2 → W + HClWCl5 + H2 → W + HCl
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).
CVD- Reações químicas endotérmicas, difusão ebarreiras de energia para nucleação ecristalização exigem fontes de energia externacristalização 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- Processos cinéticos fortemente influenciados
pela temperatura de reação
CVD- Crescimento do filme em função da temperatura
Baixas temperaturas: taxa de crescimento controlado pela cinética das reações em estado 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)
CVD- Crescimento do filmeFormação de “ilhas”, que são os núcleos deformação e crescimento do filmeformação e crescimento do filme
PECVDVARIAÇÕES DO PROCESSO DE CVD
- PECVD (Plasma Enhanced CVD)- PECVD (Plasma Enhanced CVD)
Criado para contornar a maior limitação do processoCVD convencional: aquecer o sistema a temperaturasda ordem de 700-1000oC
Utilização de plasma para ativar as reações químicasUtilização de plasma para ativar as reações químicaspermite reduzir a temperatura para T < 400oC
Opera em pressões reduzidas (necessárias paraestabilizar o plasma)
PECVDPlasma: gases
ionizados e eletricamente neutroseletricamente neutros
ex: Ar ↔ Ar+ + e-
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
Spray pyrolysisVARIAÇÕES DO PROCESSO DE CVD
- Spray Pyrolysis- Spray Pyrolysis
Processo de deposição através da aspersão de uma soluçãolíquida contendo o precursor
A técnica é considerada um CVD em função da interação entrea fase gasosa formada na evaporação da solução (próxima asuperfície) e a superfíciesuperfície) e a superfície
Spray pyrolysis- Spray Pyrolysis
Mecanismo de formação dos filmes
1. Atomização da solução2. Transporte das gotículas até o
substrato3. Evaporação do solvente
4. Decomposição do precursor5. Reação e formação do filme
Spray pyrolysis- Parâmetros de processo mais importantes
i) Temperatura do substratoi) Temperatura do substratoii) Temperatura de evaporação do solventeiii) T decomposição do precursoriv) Distância entre atomizador e superfíciev) Tamanho das gotas
precursores p/ cvd- Requisitos necessários para os precursoresutilizados nos processos de CVD
- Suficiente estabilidade em alta temperatura (evitardecomposição prematura);- Diferença apreciável entre Tdecomp e Tevap (p/ líquidos)- Elevada pureza;- Decomposição sem incorporação de impurezas;- Compatibilidade entre diferente precursores;- Custo compatível;- Custo compatível;- Baixa toxicidade;
PVD- PVD (Physical Vapor Deposition)
- Famílica de técnicas de deposição onde a formação do vaporenvolve somente métodos físicos (em contraste com o CVD, ondeenvolve somente métodos físicos (em contraste com o CVD, ondeenvolve reações químicas)
- Origem: Michael Faraday (1857)Evaporação de arames metálicos pela passagem de correnteelétrica
- Assim como o CVD, também pode ser usado para a síntese de- Assim como o CVD, também pode ser usado para a síntese denanopartículas pela condensação do vapor
PVDMÉTODOS DE GERAÇÃO DE VAPOR
- Evaporação resistiva- Evaporação resistiva
- Aquecimento do material até sua evaporação (requer
vácuo)- Vapor condensa ao encontrar o substratoencontrar o substrato
- Difícil deposição de ligas (diferentes pressão de
vapor)
PVD- Sputtering reativo
Adição de gases reativos pode ser usado na formação de filmesfinos de composição complexa e diferente do alvofinos 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 deionização do Ar, aumentando a taxa de deposição
PVDMÉTODOS DE GERAÇÃO DE VAPOR
- EB-PVD (Electron Beam PVD)- EB-PVD (Electron Beam PVD)Evaporação é realizada através do aquecimento por canhão deelétrons
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 atéµm/min
PVDMÉTODOS DE GERAÇÃO DE VAPOR
- PLD (Pulsed Laser Deposition)- PLD (Pulsed Laser Deposition)Evaporação é realizada através da sublimação do alvo atravésde pulsos de laser altamente energético.
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 químicacomplexa
Ex: supercondutores de YBa2C3uO7
Biocerâmicas: Ca10(PO4)6(OH)10
Obtido pela primeira vez em 1971 por Aisenberg e Chabot através de ion beam deposition.
HISTÓRICO
Chabot através de ion beam deposition.
ESTRUTURAS CRISTALINAS DO CARBONO
DiamanteDiamante: possui quatro orbitais sp3, os quais originam
ligações C-C com átomos adjacentes.ligações C-C com átomos adjacentes.
Estas ligações proporcionam ao diamante alta dureza e
condutividade térmica.
ESTRUTURAS CRISTALINAS DO CARBONO
GrafiteGrafite: possui três orbitais sp2, arranjados num plano,
com cada átomo de C ligado fortemente a outros trêscom cada átomo de C ligado fortemente a outros três
átomos de C. As camadas de átomos de carbono são
atraídas entre si por forças de Van der Waals.
Esta estrutura lamelar confere à grafite baixo coeficiente
de atrito.
ESTRUTURAS CRISTALINAS DO CARBONO
NanoNano tubostubos ee FulerenosFulerenos: possui três orbitais sp2, e um
elétron deslocalizado, formando três ligações C-C.
ESTRUTURAS CRISTALINAS DO CARBONO
DiamondDiamond LikeLike CarbonCarbon: apresenta falta de periodicidade
tridimensional e contém uma mistura de ligações sp3 e sp2tridimensional e contém uma mistura de ligações sp e sp
com átomos de carbono coordenados em uma rede
desordenada. Podem ser hidrogenados.
Property Diamond DLC Graphite
Density (g/cm3) 3.51 1.8 – 3.6 2.26
Atomic Number Density (Mole/cm3) 0.3 0.2 – 0.3 0.2Atomic Number Density (Mole/cm3) 0.3 0.2 – 0.3 0.2
Hardness (Kgf/mm2) 10000 2000 - 8000 500
Friction Coeff. 0.05 0.03 – 0.2 0.1
Refractive Index 2.42 1.8 – 2.6 2.15 – 1.8Refractive Index 2.42 1.8 – 2.6 2.15 – 1.8
Transparency UV-VIS-IR VIS-IR Opaque
Resistivity (Ωcm) >1016 1010 - 1013 0.2 – 0.4
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 derelacionadas ao tipo de ligação entre os átomos de
carbono e a quantidade relativa dessas ligações.
• alta dureza.
• alta resistência ao desgaste/abrasão.
• baixo coeficiente de atrito.
• inércia química.• inércia química.
• alta resistência elétrica.
• biocompatibilidade.
ELETRODEPOSIÇÃO
Deposição pela aplicação de uma diferença de potencial entre o
substrato e um contra eletrodo, a partir de um eletrólito orgânico,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.
Mecanismo de Deposição
1. Sob altos potenciais, as moléculas orgânicas são induzidas a sepolarizar e tornam-se moléculas energizadas.
2. As moléculas energizadas CH3X* movem-se para a superfíciedo eletrodo e são adsorvidas nos sítios ativados,transformando-se em moléculas ativadas.
3. As moléculas ocasionam reações de redução-oxidação noeletrodo resultando em carbono e outros produtos.
Transientes de Corrente
Acompanhamento da variação das densidades de corrente durante o tempo de eletrodeposição.corrente durante o tempo de eletrodeposição.
Dá idéia da formação e continuidade do filme.
Recommended