UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO
GRANDE DO NORTE
CNPq
UERN
PROGRAMA DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA
PROJETO DE PESQUISA
CRESCIMENTO DE FILMES FINOS DE TiO2 EM SILÍCIO PELA TÉCNICA
SOL-GEL
ORIENTADOR(A) DO PROJETO:
José Alzamir Pereira da Costa
CENTRO/UNIDADE:
Centro de Ciência e Tecnologia
DEPARTAMENTO/SETOR:
Departamento de Física - FANAT
LOCAL DE EXECUÇÃO
LABORATÓRIO DE MAGNETISMO
PROPRIEDADES ÓTICAS - LAMOp
DATA DE INÍCIO:
Agosto 2009
DATA DA CONCLUSÃO:
Julho 2010
E
APRESENTAÇÃO
GRANDE ÁREA DO CONHECIMENTO (CNPq):
Ciências Exatas e da Terra
ÁREA DO CONHECIMENTO (CNPq):
Física
SUB-ÁREA DO CONHECIMENTO (CNPq):
Física da Matéria Condensada
ESPECIALIDADE DO CONHECIMENTO (CNPq):
Semicondutores
EQUIPE EXECUTORA:
José Alzamir Pereira da Costa
Pesquisador
Aluno de Iniciação Científica
Bolsista
INTRODUÇÃO
INTRODUÇÃO
O Dióxido de Titânio ganhou bastante atenção na última década devido as suas propriedades
peculiares, tais como alto índice de refração e constante dielétrica, além de boa estabilidade química
e física [1], indicarem um grande número de aplicações tecnológicas (na ótica e eletrônica). O alto
índice de refração e baixo coeficiente de absorção indicam ser adequado para aplicações cobertura
de ótica, como TiO2/SiO2 multicamadas para cobertura antirefletiva[2] ou para cobertura-AR em
células solares de Si[3]. Estas propriedades possibilita também aplicações, tais como aplicações
eletrocrômicas, catalisadoras, superhidrofilicas, bem como no uso como purificador ambiental,
pigmento branco, sensor de gás, camada protetora anti-corrosão. Por outro lado este sistema tem
sido investigado como forte candidato à substituto do SiO2, e foi largamente investigado para
aplicações em capacitores de memória e transistores [5].
Devido sua importância filmes de TiO2 foi crescido por um grande numero de técnicas, tais
como dip-coating, sol-gel, Oxidação Térmica, feixe eletrônico, sputtering, CVD, PECVD,
MOCVD, BEM.
. Recentemente, a intercalação de metais de transição em TiO 2 tem mostrado ser capaz de induzir
ferromagnetismo no mesmo [11], o que abre portas para sua utilização em spintrônica e dispositivos
eletrocrômicos. Apenas recentemente foi demonstrado que a síntese de TiO2 na forma de filmes, pós
com dimensões nanoscópicas e sistemas porosos podem ser sintetizados através de processos solgel [12].
OBJETIVOS
Nesse projeto de pesquisa, temos como objetivos:
a)
Dominar a técnica Sol-Gel com diferentes rotas para a obtenção dos materiais de modo a
crescer de filmes de TiO2.
b)
Crescer de filmes de TiO2 em substrato de Quartzo e Silício.
c) Caracterização das amostras através das técnicas disponíveis para o nosso grupo.
d) Realizar alguns testes das propriedades fotocatalíticas e de detecção (sensor) de gases.
METODOLOGIA
O aluno de IC desenvolverá atividades de pesquisa relacionadas à produção e filmes TiO2 crescidos
em substratos (vidro, wafers de silício eletrônico), já que cada um deles pode levar a diferentes
aplicações tecnológicas. A rota a seguir é a seguinte:
1. Limpeza dos substratos
a) Wafers de Silício
Os substratos de Silício a serem usados são tipo p, com orientação (100), e a limpeza segue a
seguinte rota:
- Limpeza com jato de nitrogênio.
- Imersão em acetona em agitador ultrasônico.
- Banho em água de-ionizada.
- Imersão em ácido sulfúrico por 10 minutos, e banho em água de-ionizada.
- Imersão em ácido nítrico por 10 minutos e banhado em água DI.
- Imersão em ácido hidrofluoridico por 30 segundos.
b) Substrato de Quartzo
- Jato de gás nitrogênio.
- Imersão em acetona com agitador ultrasônico por 15 minutos.
- Lavagem com água DI.
- Jato de gás nitrogênio.
2. Crescimento dos Filmes
Usando a técnica Sol-Gel com diferentes rotas pretende-se obter os materiais.
Os substratos após a limpeza são imediatamente introduzidos no sistema para a deposição.
Os precursores serão então depositados usando-se os processos dip coating e spinning, e
então os substratos recobertos serão calcinados em diferentes temperaturas.
2. Caracterização dos Filmes
Após a caracterização básica inicial serão realizadas várias medidas, tais como:
- Microscopia de Força Atômica (AFM),
- Difração de Raios-X – Examinar as fases presentes e a orientação.
- Transmissividade no Visível e Infravermelho (FFTIR) – Estruturas das ligações químicas.
-
Elipsometria - índice de refração e constante dielétrica.
3. Análise dos resultados e elaboração de trabalhos para publicação.
INFRA-ESTRUTURA DISPONÍVEL PARA O PROJETO
Serão utilizadas as instalações disponíveis na Universidade do Estado do Rio Grande do Norte
(Departamento de Física e Departamento de Química) e Laboratórios da Universidade Federal do
Ceará – UFC.
Análises físicas e químicas
•
Espectroscopia Visível e no Infravermelho: Departamento de Física - UERN
•
Difração de Raios-X: Departamento de Física - UERN
•
Microscopia óptica: Departamento de Física - UFC
•
Microscopia Eletrônica de Varredura: Departamento de Engenharia e Ciência de Materiais UFC
•
Microscopia de Força Atômica: Departamento de Física – UFC
CRONOGRAMA DE EXECUÇÃO DO PROJETO
CRONOGRAMA DE EXECUÇÃO DO PROJETO
O cronograma constitui-se das seguintes atividades:
A = Estudo da bibliografia pertinente. (Revisão bibliográfica)
B = Treinamento nas técnicas utilizadas.
C = Crescimento de filmes de TiO2 em substrato de Quartzo;
D = Caracterização dos filmes;
E = Crescimento de filmes de TiO2 em substrato de Silício;
F = Caracterização dos filmes e dispositivos;
G = Apresentação de Resultados em Congressos e Conferências
H= Escrever artigos.
J = Relatório final.
ATIVIDADES
MESES
1
2
3
A
X
X
X
B
X
X
X
C
D
E
F
G
H
J
X
4
5
6
7
8
9
10
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
11
12
X
X
X
X
X
X
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Maissel e Glang , Handbook of Thin Technology, 1970
[2] S. Kim, Y. Choi, Mate. Lett. 57 (2002) 343.
[3] L. Bardos, H. Barankova, Surf. Coat. Technol. 146-147 (2001) 463.
[4] C. N. Cruz, Propriedades Estruturais e Óticas de Filmes de TiO2 crescidos por PECVD. 1999 –
Tese Doutorado Unicamp.
[5] G. D. Wilk, R. M. Wallace, J. M. Anthony, Appl. Phys. Rev. 89.(2001) 5243.
[6] F. O. de Araújo, E. O. Almeida, C. Alves Jr., J. A. P. da Costa , Surface & Coatings Technology
(2006).
[7] ALVES C. Jr.; ARAÚJO, F.O.; RIBEIRO, K. J. B.; COSTA, J. A. P.; SOUSA, R. R. M.; de SOUSA, R. S.,
Use of cathodic cage in plasma nitriding. Surface and Coatings Technology 201 (2006) 2450-245.
[8] R. R. M. de Sousa, F. O. de Araújo, K. J. B. Ribeiro, T. Dumelow, J. A. P. da Costa, C. Alves,
Jr., Ionic nitriding in cathodic cage of AISI 420 martensitic stainless steel, Surface Enginnering 24
(1)(2008)52–56.
REFERÊNCIAS ADICIONAIS
1. J.P. Rino, N. Studart, “Structure Correlations in Titanium Dioxide”, Phys. Rev. B, vol,
59, no.10, 6643-6649, 1999.
2. M.D. Wiggnins, M.C. Nelson, C.R. Aita, “Phase Development in Sputter Deposited
Titanium Dioxide”, J. Vac. Sci. Technol. A, vol. 14, no. 3, 772-776, 1996.
3. J.H. Braun, A. Baidins, R.E. Marganski, “TiO2 Pigment Technology- A Review”,
Pro.Org. Coat., vol. 20, no.2, 105-138, 1992.
4. A. Fujishima, K. Honda, Nature, vol. 238, 37, 1972.
5. H. Kisimoto, K. Takahama, N. Hashimoto, Y. Aoi, S. Deki, “Photocatalytic activity of
titanium oxide prepared by liquid phase deposition “, J. Mater. Chem., vol.8, 10292024, 1998.
6. L. M. Doeswijk, H. C. de Moor, D.H.A. Blank, H. Rogalla, “Passivation TiO2 coatings
for silicon solar cells by pulsed laser deposition”, Appl. Phys. A, vol. 69, Suppl., s409411, 1999.
7. V. Kiisk, I. Sildos, O. Sild, J. Aarik, “The influence of a waveguiding structure on the
excitonil luminescence of anatase thin films”, Optical Materials, vol. 27. no. 1, 115-118,
2004.
8. S. A. Campbell, D.C. Gilmer, X.C. Wang, M.R. Hsieh, H.S. Kim, “MOSFET
Transistors Fabricated with High Permitivity TiO2 Dielectrics”, IEEE Trans. Electron
Devices, vol. 44, no. 1, 104-109, 1997.
9. G.P. Burns, I.S. Bladwin, M.P. Hastings, J.G. Wilkes, “The Plasma Oxidation of
titanium thin films to form dielectric layers”, J.Appl. Phys., vol.66, 2320-2324, 1989.
10. G. San Vicente, A. Morales, M.T. Gutierrez, “Preparation and characterization of solgel TiO2 antireflective coatings for silicon, Thin Solid Films, vol. 391, 133-137, 2001.
11. J.V. Grahn, M. Linder, E. Fredriksson, “In situ of evaporated TiO2 thin fil using
oxygen radicals: Effect of deposition temperature”, J.Vac. Sci. Technol. A, vol 16, no.4
2495-2500, 1998.
12. R. Dannenberg, P. Greene, “Reactive sputter deposition of titanium dioxide”, Thin
Solid Films, vol. 360, 122-127, 2000.
13. K.S. Yeung, Y.W. Lam, “A simple Chemical Vapor Deposition Method for Depositing
Thin TiO2 Films”, Thin Solid Films, vol. 109, 169-178,1983.
14. F. O. de Araújo, E. O. Almeida, C. Alves Jr., J. A. P. da Costa , Surface & Coatings
Technology (2006).
15. H.S. Kim, S. A. Campbell, D.C. Gilmer, D.L. Polla, “Leakage current and electrical
breakdown in metal-organic chemical vapor deposited TiO2 dielectrics on silicon
substrates”, Appl. Phys. Lett., vol.69, no. 25, 3860-3862, 1996.
16. Y. Gao, S.A. Chambers, “MBE growth and characterization of epitaxial TiO2 and Nbdoped TiO2 films”, Mater. Lett., vol.26, 217-221, 1996.