CRESCIMENTO DE ESFERAS DE GÁLIO UTILIZANDO A
TÉCNICA MOCVD
Léo Happ Botler¹; Marco Sacilotti²
¹Estudante do curso de engenharia eletrônica-DES-UFPE;E-mail:[email protected]
²Pesquisador/Bolsista DCR-FACEPE/CNPq-DF-UFPE-Recife-PE-Br.E-mail:[email protected].
Sumário: Este artigo descreve a utilização do sistema MOCVD construído no
Departamento de Física da UFPE e foi realizado em parceria com o CETENE e a
FACEPE. Exibiremos resultados obtidos com a utilização do sistema, assim como um
modelo inédito para explicar o crescimento das micro esferas de gálio. As micro esferas de
gálio são revestidas por uma membrana de carbono denominada Fulereno. Os Fulerenos
conhecidos tem diâmetro da ordem de nanômetros. Os Fulerenos desenvolvidos com a
utilização do sistema MOCVD apresentam esferas com diâmetros que podem chegar a 5
micrometros.
Palavras–chave: esferas de Gálio; Fulereno; MOCVD
INTRODUÇÃO
A técnica MOCVD (Metal Organic Chemical Vapour Deposition) conhecida desde 1967 é
uma técnica de crescimento de materiais inorgânicos, utilizando moléculas metal-orgânicas
sobre substratos sólidos. A técnica MOCVD vem sendo aplicada em larga escala nas
últimas décadas, pois são de alto interesse para as áreas da eletrônica e da fotônica. O
funcionamento é simples: Um substrato é colocado dentro de um reator, que é aquecido
entre 550 a 750 °C, mantido à pressão de N2: 70 a 760 torr. Um fluxo de vapor de
moléculas organometálicas (OM) é levado até o reator pelo gás de arraste N2. O
aquecimento faz com que as moléculas de OM se pirolisem e o metal deposita sobre o
substrato (silício por ex.), dando origem a estruturas micro e até nano métricas. Os
principais fatores que afetam o crescimento são: tipo do substrato, composição dos gases,
pressão e temperatura no interior do reator. Embora o funcionamento seja simples, ainda
não se sabe explicar o mecanismo de crescimento e como os parâmetros de crescimento
afetam a estrutura cristalina gerada. Devido ao tamanho das estruturas geradas, as amostras
são preferivelmente analisadas em microscópio eletrônico de varredura ou de transmissão.
Como não podemos analisar o que ocorre no interior do reator durante o crescimento,
variamos os parâmetros de crescimento como temperatura, pressão, fluxos dos gazes e
analisamos os resultados após o crescimento em busca de uma melhor compreensão do
sistema, de um modelo para o crescimento e de estruturas de interesse para as demais áreas
da ciência.
MATERIAIS E MÉTODOS
O sistema MOCVD implantado no Departamento de Física da Universidade Federal de
Pernambuco será descrito a seguir. O painel do sistema está ilustrado abaixo. Inicialmente,
colocamos o substrato desejado dentro do reator. Então liga-se a chave geral de energia
para que o controlador de pressão do reator, os medidores de fluxo e as válvulas elétricas
possam funcionar. Então liga-se a bomba de vácuo e abri-se as válvulas B2,NC1 e M1.
Como o reator está a pressão atmosférica, o controlador de pressão(que controla a abertura
da válvula B1) mantém o setpoint para pressão dentro do reator, caso este seja abaixo da
pressão atmosférica. Abrimos então as válvulas M16,M17,M19,NC,NC2,M3, M2 e as
válvulas manuais inferiores do cilindro de organometálico a ser usado, que desobstruem a
passagem do N2(gás de arraste) pelas linhas bypass, principal e secundária. Deve-se então
regular o setpoint do aquecedor, ligar o aquecedor e esperar até que a temperatura do reator
chegue ao setpoint(aproximadamente 8 minutos). Podemos agora abrir a válvula NC do
organometálico desejado e esperar até o fim do crescimento, quando esta válvula deve ser
desligada. Durante o crescimento é possível variar a pressão do reator mudando o canal do
controlador de pressão.
Os resultados aqui analisados são referentes ao crescimento feito com deposição de TMGa
por 15 minutos em substrato de MOS, com pressão do reator igual a 70 torr, temperatura
de 700°C.
RESULTADOS
A seguir estão fotografias das duas amostras já analisadas tiradas com microscópio
eletrônico de varredura. Na figura 1, podemos ver 4 balões com diâmetros de
aproximadamente 3 micrometros. 3 deles estão sustentados por uma base em forma de
cone, e o mais a esquerda está sustentado por 2 bases em forma de cone. Podemos perceber
também que há “desenhos” na superfície esférica, que fica mais claro na figura 2. Estes
desenhos são do tipo fractal.
Podemos ver, através de EDS que o interior das esferas está repleto de Gálio.
Figure 1: 4 esferas de Gálio com diâmetro de 3
micrometros enfileiradas.
Figure 2: esfera de Gálio com desenhos.
DISCUSSÃO
Como mostrado acima, temos esferas de diferentes tamanhos no mesmo crescimento.
Sabemos que aumentando o tempo de crescimento aumentamos também os diâmetros das
esferas de um modo geral. Concluímos que o gálio deposita-se no interior das esferas em
função do tempo. Porém, o gálio é liquido a temperatura ambiente (29°C) e mais ainda à
temperatura de crescimento de 550- 750ºC. A força gravitacional impediria que um líquido
se aglomerasse do modo que vemos nas figuras 1 e 2. Como o organometálico utilizado é o
(CH3)3Ga, concluímos que há uma membrana externa composta do carbono vindo desta
molécula. Devido ao formato esférico, acreditamos que os átomos de carbono desta
membrana estão organizados formando uma molécula de Fulereno. Em estudos anteriores,
mostramos com a técnica TEM que o cone de suporte da esfera é construído de membranas
de carbono. Para explicar como o (CH3)3Ga constrói a estrutura esférica e faz com que o
gálio passe através da camada de Fulereno, foi criado um modelo baseado na fórmula de
Euler para poliedros côncavos que leva em conta a simetria dos Fulerenos, a valência do
Carbono, as forças de ligação entre as moléculas de Carbono no Fulereno e a
disponibilidade de Carbono no meio. O modelo não só explica o crescimento das esferas
de gálio, como também explica o crescimento do Fulereno de uma maneira ainda não
reportada na literatura. Inicialmente faremos uma análise sobre os poliedros côncavos com
faces hexagonais e pentagonais usando a fórmula de Euler para poliedros côncavos. Temos
que F + V = A + 2. Ou seja, o número de faces (F) somado ao número de vértices (V) é
igual ao número de arestas (A) mais 2. Se considerarmos que queremos formar um
poliedro apenas com faces hexagonais e pentagonais, que cada vértice esta compartilhada
por 3 faces e que cada aresta está compartilhada por 2 faces chegamos a seguinte
expressão: P = 12, onde P é o número de faces pentagonais. Isso significa que podemos
criar poliedros com quantos hexágonos quisermos, contanto que o número de pentágonos
seja igual a 12. Por isso começamos ilustrando uma molécula de C20, que tem a forma de
um dodecaedro (12 pentágonos) e achataremos esta no plano para que possamos analisá-lo
matematicamente. Na figura 3, cada vértice representa um Carbono, cada aresta com uma
linha representa uma ligação simples e cada aresta com duas linhas representa uma ligação
dupla:
Como o meio está repleto de moléculas de Carbono ligados a Gálio((CH3)2Ga ou (CH3)Ga)
e as ligações duplas são mais fracas que as ligações simples, algum Carbono tenderá a
quebrar uma de suas ligações duplas e formar uma ligação simples com algum carbono do
meio, mas sempre tentando preservar a simetria da molécula, afinal esta é a razão para que
moléculas como C60,C70 e C20 sejam estáveis. Podemos mostrar passo a passo que o C20
evolui para o C24. Teremos:
Embora a complexidade aumente a medida que a molécula aumenta, sempre é possível
somar-se 4 carbonos(2 hexágonos) à estrutura. Acreditamos que quando a molécula
assume dimensões muito grandes, dependendo dos organometálicos utilizados, a estrutura
do Fulereno começa a se romper, dando origem aos desenhos do tipo fractal, vistos nas
figuras 1 e 2.
CONCLUSÕES
Utilizamos o sistema MOCVD para crescer esferas metálicas perfeitas, sendo estas envolta
por membranas de carbono, vindo da molécula precursora (CH3)3Ga. Concluímos que o
sistema MOCVD deve continuar sendo estudado devido a infinidade de estruturas que
podem ser geradas com este. É bom ressaltar que o modelo criado neste trabalho não exclui
outros modelos de formação do Fulereno. Pretendemos continuar nossa pesquisa com as
esferas de Gálio para poder provar, com análises concretas, que a membrana que reveste as
esferas são de fato um Fulereno.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a FACEPE e ao PIBIC pelo suporte financeiro. Agradecemos também a
Francisco Rangel, Técnico especialista em Microscopia eletrônica de varredura do
CETENE-Recife-Br, pois graças a ele as fotografias tiveram alta qualidade e foram de
grande auxílio ao desenvolvimento do trabalho.
REFERÊNCIAS
Sacilotti, M et al. Organometallic precursors as catalyst to grow three dimensional
micro/nano structures: spheres, clusters and wires. Surface & Coatings Technology,
2007.