Formação de filmes finos pelo método de pulverização catódica (Sputtering):
Uma ferramenta chave na busca da Sustentabilidade e na geração de Energia Limpa
João Eugênio Andrade de Souza
Com o crescimento constante da população mundial e o aumento do consumo de recursos naturais, é natural que a cada dia sejam propostos novos avanços tecnológicos, buscando uma maneira mais sustentável de conservar o planeta.
Com a demanda energética cada vez mais exigida mundialmente, nos últimos anos, tem-se discutido uma transição energética para fontes renováveis, sendo algumas delas a eólica, solar, hídrica, biomassa, entre outras [1].
A fonte que vem ganhando mais destaque nos últimos anos é a solar, que tem vantagem sobre as demais pela sua eficiência, custo e impacto ambiental. Estudos apresentados pela ABSOLAR (Associação Brasileira de Energia Solar Fotovoltaica) mostram que a matriz energética por meio da produção solar ainda representa uma pequena fatia da matriz elétrica global [1].
No entanto, por mais que a energia solar tenha um custo inferior para ser produzida em relação às demais, ainda é um investimento de alto valor para uma pessoa comum. Por isso, formas de produção mais baratas e eficientes de painéis solares vêm sendo discutidas. Neste estudo, abordaremos o método de pulverização catódica, também conhecido como sputtering.
A técnica de sputtering, ou pulverização catódica, é basicamente empregada para a obtenção de filmes finos sobre substratos planos e na deposição de nanopartículas sobre substratos em pó [7]. Essa técnica envolve a ejeção de átomos e aglomerados atômicos (conjuntos de átomos que formam estruturas menores do que sólidos convencionais, geralmente variando de alguns átomos a milhares de átomos) de um material de alta pureza, condensando-os e formando filmes finos ou nanopartículas sobre a superfície de um substrato. Em geral, a deposição catódica é utilizada para a disposição de filmes finos em substratos planos, que estão presentes em células fotovoltaicas, baterias, entre outros [8].
De acordo com os estudos realizados por Greene et al., 2017, e Son et al., 2017, o crescimento de filmes finos em substratos planos ocorre nas seguintes etapas:
1 .Início do crescimento:
- O substrato é mostrado na parte inferior da imagem, representado por uma superfície retangular plana de cor cinza;
- Acima do substrato, pequenas partículas (átomos ou moléculas) podem se depositar. Essas partículas são representadas como pequenas esferas de diferentes núcleos, representando os átomos que se ligam ao substrato;
- À medida que as partículas começam a se depositar, elas formam pequenas ilhas ou aglomerados;
- As ilhas são mostradas como agrupamentos de esferas conectadas entre si, indicando que os átomos estão começando a se juntar e a formar estruturas;
- À medida que o processo de deposição continua, as ilhas crescem e começam a se coalescer, formando uma camada mais uniforme;
- A imagem mostra uma transição onde as ilhas começam a se fundir, eventualmente cobrindo completamente o substrato;
- A camada final é representada como uma superfície contínua de esferas interligadas, cobrindo totalmente o substrato, representando o filme fino completo;
- Elementos adicionais:
- Setas indicam o movimento dos átomos/moléculas em direção ao substrato;
- Notas explicativas no texto ao lado de cada seção descrevem as fases de nucleação, crescimento das ilhas e coalescência;
- O fundo da imagem é claro, com um esquema de cores que facilita a compreensão.
A figura 1 ilustra esse processo.
Embora o primeiro trabalho reportado sobre a deposição catódica de nanopartículas tenha ocorrido no ano de 1977, só houve uma proposta para explicar o mecanismo físico envolvido no processo no ano de 2015. Gonçalves et al., 2015, propuseram que a formação de nanopartículas sobre substratos ocorre de forma totalmente análoga à deposição de filmes finos; no entanto, as velocidades dos processos de nucleação e o crescimento das ilhas são significativamente reduzidos, pois os átomos ou aglomerados do material alvo são depositados em diferentes áreas da superfície do substrato com igual probabilidade. Como resultado, evita-se o crescimento de ilhas próximas e a fusão entre elas, o que garante a formação de nanopartículas (NPs) separadas e unidas [2].
O sistema mais simples de pulverização catódica é composto por uma câmara de vácuo, um par de eletrodos, um material alvo servindo como cátodo e um substrato servindo como ânodo, além de uma fonte de alimentação [4, 5, 10]. Os sistemas de sputtering são classificados de formas diferentes de acordo com o tipo de alimentação, sendo de corrente contínua (DC) e radiofrequência (RF), geralmente alimentados por uma corrente alternada (AC).
Suas principais diferenças são os materiais comumente depositados: enquanto na alimentação DC se utiliza geralmente materiais eletricamente condutores, o método por alimentação AC ou RF é utilizado tanto para materiais condutores quanto para materiais não condutores [11]. O processo de realização da pulverização catódica ocorre da seguinte maneira [4]:
1 .Preparação do substrato:
a. Limpeza do substrato: Antes de iniciar o processo de pulverização, o substrato deve ser rigorosamente limpo para remover qualquer contaminante, como óleos, poeira ou outros resíduos que possam afetar a aderência do filme.
b. Posicionamento no suporte: Coloca-se o substrato no suporte dentro da câmara de sputtering, garantindo que esteja fixo e posicionado adequadamente para receber o material depositado.
2. Preparação da câmara de sputtering:
a. Escolha do material alvo: Seleciona-se o material alvo (geralmente um metal ou óxido) que será pulverizado e posiciona-se o alvo dentro da câmara.
b. Selamento da câmara: Fecha-se a câmara de sputtering, garantindo que todas as vedações estejam bem ajustadas para evitar vazamentos.
3. Bombeamento:
a. Bombeamento: Utiliza-se uma bomba de vácuo para evacuar a câmara, removendo o ar e qualquer outro gás indesejado. Isso é essencial para garantir que o plasma seja formado corretamente.
b. Alcançar o vácuo desejado: Continua-se o bombeamento até atingir o nível de vácuo necessário, geralmente em torno de 10^-3 a 10^-7 Torr, dependendo do processo.
4. Introdução do gás inerte:
a. Adição do gás de trabalho: Introduz-se um gás inerte, como argônio (Ar), na câmara. O gás será ionizado para formar o plasma.
b. Controle da pressão: A pressão do gás é ajustada dentro da câmara para um nível específico, geralmente entre 1 a 10 mTorr, para controlar a taxa de pulverização.
5. Formação do plasma:
a. Aplicação de tensão: Aplica-se uma alta tensão negativa ao alvo, geralmente utilizando uma fonte de alimentação DC ou RF, dependendo do material alvo e do tipo de sputtering.
b. Ionização do gás: A tensão aplicada ioniza o gás de argônio, criando um plasma composto de íons positivos e elétrons livres.
6. Pulverização do material alvo:
a. Bombardeamento do alvo: Os íons de argônio, acelerados pelo campo elétrico, colidem com o alvo, arrancando átomos ou moléculas do material alvo.
b. Deposição no substrato: Os átomos arrancados viajam em direção ao substrato e se depositam sobre sua superfície, formando um filme fino e uniforme.
7. Conclusão do processo:
a. Desligamento da fonte de energia: Desliga-se a fonte de alimentação que gera o plasma para interromper o processo de pulverização.
b. Liberação do vácuo: Gradualmente, reintroduz-se o ar na câmara, aumentando a pressão de volta ao nível atmosférico.
c. Remoção do substrato: Abre-se a câmara e remove-se cuidadosamente o substrato, agora coberto com o filme desejado.
Para termos uma noção melhor do funcionamento da técnica, a figura 2 a seguir nos dá um exemplo de como o processo ocorre dentro da câmara de pulverização.
Para verificar se o filme foi depositado corretamente ou se as propriedades almejadas foram atingidas, é interessante usar técnicas de caracterização como DRX, técnicas de microscopia e espectroscopia [10].
Conclui-se que a técnica de sputtering apresenta uma alta reprodutibilidade e simplicidade na preparação de filmes finos e deposição de nanopartículas. No entanto, a relação entre a configuração dos parâmetros experimentais e as propriedades do material alvo no substrato ainda precisa ser muito explorada, já que depende de uma série de fatores que envolvem condições específicas de cada processo.
Referências
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA. Energia Solar no Brasil: fonte de economia, oportunidades e investimentos. Disponível em: https://www.absolar.org.br/noticia/energia-solar-no-brasil-fonte-de-economia-oportunidades-e-investimentos/. Acesso em: 18 ago. 2024.
GONÇALVES, R. V. et al. Easy access to metallic copper nanoparticles with high activity and stability for CO oxidation. ACS Applied Materials & Interfaces, v. 7, n. 15, p. 7987-7994, 2015.
GREENE, J. E. Tracing the recorded history of thin-film sputter deposition: From the 1800s to 2017. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, v. 35, n. 5, p. 05C204, 2017.
WASA, K. Sputtering Systems. 2. ed. Elsevier Inc., 2012.
MAHAN, J. E. Physical vapor deposition of thin films. New York: Wiley-VCH, 2000. 336 p.
QUIROZ, Heiddy; CALDERÓN, Jorge; DUSSAN CUENCA, Anderson. Nanomateriales que revolucionan la tecnología: Perspectivas y aplicaciones en espintrónica. 10.36385/FCBOG-7-0, 2020.
RABELO, Lucas Gabriel. Deposição de nanopartículas sobre substratos em pó através da técnica de pulverização catódica (Sputtering): uma revisão dos conceitos físicos, aplicações e perspectivas. São Carlos, 2020. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Materiais) – Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, 2020. Orientador: Renato Vitalino Gonçalves.
SIGMUND, P. Sputtering by ion bombardment: theoretical concepts. In: Sputtering by particle bombardment I. Berlin, Heidelberg: Springer, 1981. p. 9-71.
SIMON, A. H. Sputter processing. In: SESHAN, K.; SCHEPIS, D. (org.). Handbook of the film deposition. 4. ed. New York: Elsevier Inc., 2018. p. 195-230.
SON, M. K. et al. Characteristics of crystalline sputtered LaFeO3 thin films as photoelectrochemical water splitting photocathodes. Nanoscale, v. 12, n. 17, p. 9653-9660, 2020.
VPI TECHNOLOGIES. What is DC and RF Sputtering. Disponível em: https://www.vpi2004.com/pt/whatisrfanddcsputteringcoating. Acesso em: 18 ago. 2024.
Autor:
João Eugênio Andrade de Souza é bolsista de Mestrado (Fundação Araucária) do NAPI EZC no Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Biociências, sob a orientação do Prof. Dr. Valdirlei Fernandes Freitas, docente do DFIS/UNICENTRO.
Essa pesquisa
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