Nome do Projeto
Topografia e propriedades físicas de filmes finos
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
14/04/2021 - 14/04/2025
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
O estudo teórico e experimental de filmes finos despertam grande interesse devido à vasta aplicabilidade em diversas áreas da física. Filmes finos de semicondutores, por exemplo, formam a base da atual indústria eletrônica. No campo das energias renováveis, aparecem na vanguarda do desenvolvimento de células solares e na geração de hidrogênio por hidrólise. Filmes cerâmicos podem ser usados como recobrimento anticorrosivo, antiabrasivo, ou ainda, autolimpante. As potenciais aplicações se multiplicam conforme novos materiais e métodos de recobrimento são estudados. As propriedades físicas de filmes finos são grandemente influenciadas por sua topografia, que, no que lhe concerne, é fruto das técnicas e parâmetros de deposição, desbastamento e modificação utilizados em sua confecção. Relacionar as propriedades físicas de filmes finos com a topografia torna-se crucial quando se vislumbra uma determinada aplicação. Como exemplo, as declividades das estruturas presentes na superfície de filmes finos são determinantes para a molhabilidade. A condutividade e os processos difusivos perto da superfície associar-se-ão a espessura e a área destes filmes. O presente projeto visa um estudo experimental e teórico sistemático da influência da topografia de filmes finos em determinadas propriedades físicas. Propriedades, estas, relacionadas com temas de interesse do grupo de pesquisa em questão, CCAF. Em especial, o desenvolvimento de células solares de terceira geração, sensibilizadas por corante, superfícies com alta repelência a água, ou superhidrofóbicas, e qualquer outra vocação que venha a surgir para estes filmes.
Especificamente, no estudo de superfícies repelentes à água, procura-se estudar a influência da topografia na molhabilidade de superfícies de filmes finos de óxidos metálicos e não-metálicos depositados por técnicas de bancada úmida (Spin Coating, Dip Coating e Spray Pyrolisys) e por técnicas de médio e alto vácuo (Physical Vapor Deposition e Eletron Gun). Alterando-se a taxa de deposição e o tempo, obtêm-se superfícies de rugosidade graduada. Se necessário, é possível auxiliar a texturização através de desbastamento químico. Estas superfícies podem ser funcionalizadas por deposição de surfactante, em geral, compostos fluorados. Medidas de ângulo de contato estático e dinâmico (histerese) da gota serão necessárias para aferir a molhabilidade.
Em relação à pesquisa de energias renováveis, procura-se melhorar a eficiência e, logo, a relação custo benefício da utilização das células solares sensibilizadas por corante. Testar-se-á técnicas de deposição distintas do semicondutor sobre o vidro condutor, como 'Casting', eletroforese associada ao recobrimento de imersão e PVD (Physical Vapor Deposition). Posteriormente, aferir-se-a as propriedades ópticas e elétricas por meio de medidas de transmitância, voltametria cíclica, condutividade de quatro pontas e curvas I-V frente a um simulador solar.
A topografia, em ambas as frentes, será avaliada por medidas de microscopia de força atômica e interferometria de luz branca, que resolvem a superfície, revelando as estruturas presentes no filme e possibilitando o cálculo de parâmetros topográficos relevantes, como a rugosidade r.m.s., declividade r.m.s. e o parâmetro da rugosidade de Wenzel.
Espera-se, com este procedimento, não somente estabelecer uma correlação entre grandezas físicas estudadas e a topografia, aprimorando o design das superfícies, mas investigar de uma perspectiva fundamental a influência da topografia nas propriedades físicas de filmes finos.
Objetivo Geral
Compreender a influência da topografia dos filmes finos nas grandezas físicas de interesse em dois eixos principais.
Células solares:
1. Melhorar o processo de difusão de eletrólito nas proximidades da superfície de filmes semicondutores em DSSCs (dye sensitized solar cell).
2. Otimizar a transmitância na faixa visível de luz e a condutividade elétrica através do filme semicondutor.
3. Aumentar a eficiência na conversão energética das DSSCs.
Superhidrofobicidade:
1. Correlacionar molhabilidade estática e dinâmica com a topografia.
2. Estabelecer critérios topográficos para a transição dos estados de molhabilidade, de molhamento homogêneo para molhamento heterogêneo.
3. Estabelecer critérios topográficos para superhidrofobicidade.
Células solares:
1. Melhorar o processo de difusão de eletrólito nas proximidades da superfície de filmes semicondutores em DSSCs (dye sensitized solar cell).
2. Otimizar a transmitância na faixa visível de luz e a condutividade elétrica através do filme semicondutor.
3. Aumentar a eficiência na conversão energética das DSSCs.
Superhidrofobicidade:
1. Correlacionar molhabilidade estática e dinâmica com a topografia.
2. Estabelecer critérios topográficos para a transição dos estados de molhabilidade, de molhamento homogêneo para molhamento heterogêneo.
3. Estabelecer critérios topográficos para superhidrofobicidade.
Justificativa
Para as DSSCs
É notório, dada a necessidade, que as formas de energias alternativas estão em constante fase de evolução. Dentre elas se destaca a energia solar, por possuir fonte virtualmente inesgotável. Sendo assim, a geração fotovoltaica ganha espaço como fonte de energia sustentável.
As Células Solares Sensibilizadas por Corantes (DSSC) apresentam eficiência em torno de 11,9%. Essas células visam alcançar altos níveis de eficiência, em relação às células de primeira e segunda geração, utilizando materiais abundantes e leves que possibilitem grande escala de produção e de baixo custo.
Apresentam como principais desvantagens a baixa eficiência, sempre em comparação com as ouras gerações, baixa durabilidade, devido à degradação de corante orgânico, e ausência de uma linha de produção que poderia favorecer a relação custo benefício. É uma das opções para geração de energia limpa, sustentável, com fonte renovável de baixo custo e livre de poluição.
Como uma tentativa de melhorar a eficiência das DSSCs realizam-se sínteses químicas distintas de vários materiais ou, ainda, a obtenção de monocristais semicondutores ou pontos quânticos, no intuito de reduzir o 'band gap', aumentando a absorção de luz.
De modo a melhorar a eficiência e logo a relação custo benefício da utilização das DSSCs, testar-se-á três técnicas de deposição distintas do semicondutor sobre o vidro condutor: 'Casting', a técnica usual de deposição de semicondutor nesta categoria de célula; eletroforese associada a recobrimento de imersão, união que possibilita o controle de espessura e rugosidade dos filmes e 'PVD', técnica de evaporação em médio vácuo que propicia alto controle de espessura.
Para a molhabilidade
As propriedades de molhabilidade de superfícies sólidas são sempre de grande interesse, tanto do ponto de vista fundamental como aplicado. Em particular, a combinação entre superfícies estruturadas e capilaridade dá origem a uma grande variedade de fenômenos. Quando uma gota de água é colocada sobre materiais hidrofóbicos micro/nano-estruturados, ela pode ficar suspensa sobre os cumes das estruturas e do volumes de gás que permanecem aprisionados nas cavidades da superfície rugosa. Esta configuração, o chamado estado Cassie, fornece ângulos de contato muito altos com muito baixa histerese (efeito lótus) e muito baixa resistência hidrodinâmica. Estas propriedades tornam-se úteis para uma vasta série de aplicações, que vão desde superfícies “auto-limpantes” até dispositivos microfluídicos (laboratório em um chip, mistura em meio confinado, sistemas de interesse biológico). O efeito de “super-repelência” pode ser, no entanto, quebrado, ou seja, o líquido pode entrar e ocupar as micro/nano-estruturas, resultando assim num ângulo de contato efetivo menor (estado Wenzel).
A realização destas superfícies super-repelentes permanece, no entanto, dependente de processos dispendiosos, frequentemente envolvendo técnicas complexas de estruturação, como a micro e nanolitografia. A compreensão teórica e o desenvolvimento de novos processos de fabricação, simplificados e a custos mais baixos, é de relevância atual e deverá contribuir ao avanço das pesquisas nesta área.
É notório, dada a necessidade, que as formas de energias alternativas estão em constante fase de evolução. Dentre elas se destaca a energia solar, por possuir fonte virtualmente inesgotável. Sendo assim, a geração fotovoltaica ganha espaço como fonte de energia sustentável.
As Células Solares Sensibilizadas por Corantes (DSSC) apresentam eficiência em torno de 11,9%. Essas células visam alcançar altos níveis de eficiência, em relação às células de primeira e segunda geração, utilizando materiais abundantes e leves que possibilitem grande escala de produção e de baixo custo.
Apresentam como principais desvantagens a baixa eficiência, sempre em comparação com as ouras gerações, baixa durabilidade, devido à degradação de corante orgânico, e ausência de uma linha de produção que poderia favorecer a relação custo benefício. É uma das opções para geração de energia limpa, sustentável, com fonte renovável de baixo custo e livre de poluição.
Como uma tentativa de melhorar a eficiência das DSSCs realizam-se sínteses químicas distintas de vários materiais ou, ainda, a obtenção de monocristais semicondutores ou pontos quânticos, no intuito de reduzir o 'band gap', aumentando a absorção de luz.
De modo a melhorar a eficiência e logo a relação custo benefício da utilização das DSSCs, testar-se-á três técnicas de deposição distintas do semicondutor sobre o vidro condutor: 'Casting', a técnica usual de deposição de semicondutor nesta categoria de célula; eletroforese associada a recobrimento de imersão, união que possibilita o controle de espessura e rugosidade dos filmes e 'PVD', técnica de evaporação em médio vácuo que propicia alto controle de espessura.
Para a molhabilidade
As propriedades de molhabilidade de superfícies sólidas são sempre de grande interesse, tanto do ponto de vista fundamental como aplicado. Em particular, a combinação entre superfícies estruturadas e capilaridade dá origem a uma grande variedade de fenômenos. Quando uma gota de água é colocada sobre materiais hidrofóbicos micro/nano-estruturados, ela pode ficar suspensa sobre os cumes das estruturas e do volumes de gás que permanecem aprisionados nas cavidades da superfície rugosa. Esta configuração, o chamado estado Cassie, fornece ângulos de contato muito altos com muito baixa histerese (efeito lótus) e muito baixa resistência hidrodinâmica. Estas propriedades tornam-se úteis para uma vasta série de aplicações, que vão desde superfícies “auto-limpantes” até dispositivos microfluídicos (laboratório em um chip, mistura em meio confinado, sistemas de interesse biológico). O efeito de “super-repelência” pode ser, no entanto, quebrado, ou seja, o líquido pode entrar e ocupar as micro/nano-estruturas, resultando assim num ângulo de contato efetivo menor (estado Wenzel).
A realização destas superfícies super-repelentes permanece, no entanto, dependente de processos dispendiosos, frequentemente envolvendo técnicas complexas de estruturação, como a micro e nanolitografia. A compreensão teórica e o desenvolvimento de novos processos de fabricação, simplificados e a custos mais baixos, é de relevância atual e deverá contribuir ao avanço das pesquisas nesta área.
Metodologia
Para a molhabilidade:
A metodologia divide-se cronologicamente em deposição, texturização, funcionalização e caracterização, sendo fundamentais as caracterizações topográfica e de molhabilidade. A caracterização química serve para controle no intuito de aferir a constância da energia de superfície da amostra.
As deposições serão feitas por evaporação mediante a utilização de um canhão de elétrons em alto vácuo e recobrimento por imersão sobre substratos de vidro. No caso da utilização do canhão de elétrons, utilizando como alvos óxidos metálicos como titânia, sílica e alumina. O controle da corrente e do tempo permitirá a graduação da rugosidade e espessura. Eventualmente, a texturização poderá ser realizada em momento posterior à deposição, por técnicas de desbastamento químico. Para o recobrimento por imersão, os óxidos metálicos serão obtidos por rota sol-gel, onde a velocidade de retirada do substrato da solução trará o controle da espessura do filme. A rugosidade será obtida por desbastamento químico possibilitando rugosidade graduada.
A funcionalização será realizada após a deposição dos óxidos pela deposição de surfactantes (Dynasalyn, ácido esteárico) via recobrimento por imersão ou rotação, ou ainda, pela evaporação de um composto fluorado via canhão de elétrons (PTFE). Deste modo, pode-se obter superfícies hidrofílicas e hidrofóbicas de rugosidade (topografia) graduada. A caracterização topográfica será realizada por microscopia de força atômica e interferometria de luz branca em áreas distintas de medida. O tratamento através da função espectral de potência permitira uma concatenação destas áreas e das duas técnicas em uma única função, que, por sua vez, pode ser associada ao parâmetro de rugosidade de Wenzel que prediz a contribuição topográfica para a molhabilidade. A caracterização da molhabilidade será realizada pelo método da gota séssil e da medida dinâmica de ângulo de contato através da variação do volume da gota, permitindo o cálculo da histerese. A caracterização química será realizada via espectroscopia de foto-elétrons exitados por raio-x para garantir que cada conjunto de amostras de determinado óxido e determinado funcionalizante (podendo este conjunto não ser funcionalizado no caso das amostras hidrofílicas) possuam a mesma composição química.
A última etapa compreende a correlação entre os dados das medidas de molhabilidade e topografia de modo a aferir como os parâmetros topográficos alteram os estados de molhabilidade e como estes levam ao regime superhidrofóbico.
Para as DSSCs
Para a síntese da titânia cristalina, comumente utilizada em DSSCs, será utilizada a rota hidrotermal assistida por micro-ondas, onde a nucleação e crescimento se dão dentro de uma cela reacional irradiada. Alternativamente, as Perovskitas Titanato, Zirconato e Hafinato de Bário por apresentarem propriedades fotoluminescentes promissoras, podem ser testadas.
Os compostos, após a síntese, serão depositados em substratos de FTO, formando filmes finos. A deposição será feita por três métodos: Casting, que consiste na deposição através da rapagem do excesso de filme sobre um substrato, PVD , técnica que consiste na deposição via adsorção física do vapor
dentro de uma câmera de médio vácuo e Dip-Electro-coating, técnica combina deposição por imersão (dip-coating) com a técnica de eletroforese.
Para identificar a fase estrutural dos compostos e filmes finos serão utilizadas as técnicas dedifração de Raio-X. A identificação da morfologia dos compostos e dos filmes finos se dará pelas técnicas de WLI-Interferometria de luz branca, Perfilometria mecânica e AFM (Microscopia de Força atômica). As propriedades ópticas dos compostos e dos filmes finos, serão aferidas pelas técnicas de Elipsometria e Espectroscopia UV-visível. Para caracterizar as propriedades eletroquímicas dos filmes serão realizadas as medidas de voltametria cíclica e espectroscopia de impedância. Propriedades elétricas serão aferidas por medida de condutividade de quatro pontas. A eficiência das células já montadas será aferida através de medida IxV via potenciostato em conjunto com simulador solar. A comparação entre as medidas pode otimizar as técnicas de deposição de filmes semicondutores sobre o substrato condutor em relação aos tempos e taxas de deposição, quando for o caso, de modo a melhorar a eficiência na conversão energética das DSSCs.
A metodologia divide-se cronologicamente em deposição, texturização, funcionalização e caracterização, sendo fundamentais as caracterizações topográfica e de molhabilidade. A caracterização química serve para controle no intuito de aferir a constância da energia de superfície da amostra.
As deposições serão feitas por evaporação mediante a utilização de um canhão de elétrons em alto vácuo e recobrimento por imersão sobre substratos de vidro. No caso da utilização do canhão de elétrons, utilizando como alvos óxidos metálicos como titânia, sílica e alumina. O controle da corrente e do tempo permitirá a graduação da rugosidade e espessura. Eventualmente, a texturização poderá ser realizada em momento posterior à deposição, por técnicas de desbastamento químico. Para o recobrimento por imersão, os óxidos metálicos serão obtidos por rota sol-gel, onde a velocidade de retirada do substrato da solução trará o controle da espessura do filme. A rugosidade será obtida por desbastamento químico possibilitando rugosidade graduada.
A funcionalização será realizada após a deposição dos óxidos pela deposição de surfactantes (Dynasalyn, ácido esteárico) via recobrimento por imersão ou rotação, ou ainda, pela evaporação de um composto fluorado via canhão de elétrons (PTFE). Deste modo, pode-se obter superfícies hidrofílicas e hidrofóbicas de rugosidade (topografia) graduada. A caracterização topográfica será realizada por microscopia de força atômica e interferometria de luz branca em áreas distintas de medida. O tratamento através da função espectral de potência permitira uma concatenação destas áreas e das duas técnicas em uma única função, que, por sua vez, pode ser associada ao parâmetro de rugosidade de Wenzel que prediz a contribuição topográfica para a molhabilidade. A caracterização da molhabilidade será realizada pelo método da gota séssil e da medida dinâmica de ângulo de contato através da variação do volume da gota, permitindo o cálculo da histerese. A caracterização química será realizada via espectroscopia de foto-elétrons exitados por raio-x para garantir que cada conjunto de amostras de determinado óxido e determinado funcionalizante (podendo este conjunto não ser funcionalizado no caso das amostras hidrofílicas) possuam a mesma composição química.
A última etapa compreende a correlação entre os dados das medidas de molhabilidade e topografia de modo a aferir como os parâmetros topográficos alteram os estados de molhabilidade e como estes levam ao regime superhidrofóbico.
Para as DSSCs
Para a síntese da titânia cristalina, comumente utilizada em DSSCs, será utilizada a rota hidrotermal assistida por micro-ondas, onde a nucleação e crescimento se dão dentro de uma cela reacional irradiada. Alternativamente, as Perovskitas Titanato, Zirconato e Hafinato de Bário por apresentarem propriedades fotoluminescentes promissoras, podem ser testadas.
Os compostos, após a síntese, serão depositados em substratos de FTO, formando filmes finos. A deposição será feita por três métodos: Casting, que consiste na deposição através da rapagem do excesso de filme sobre um substrato, PVD , técnica que consiste na deposição via adsorção física do vapor
dentro de uma câmera de médio vácuo e Dip-Electro-coating, técnica combina deposição por imersão (dip-coating) com a técnica de eletroforese.
Para identificar a fase estrutural dos compostos e filmes finos serão utilizadas as técnicas dedifração de Raio-X. A identificação da morfologia dos compostos e dos filmes finos se dará pelas técnicas de WLI-Interferometria de luz branca, Perfilometria mecânica e AFM (Microscopia de Força atômica). As propriedades ópticas dos compostos e dos filmes finos, serão aferidas pelas técnicas de Elipsometria e Espectroscopia UV-visível. Para caracterizar as propriedades eletroquímicas dos filmes serão realizadas as medidas de voltametria cíclica e espectroscopia de impedância. Propriedades elétricas serão aferidas por medida de condutividade de quatro pontas. A eficiência das células já montadas será aferida através de medida IxV via potenciostato em conjunto com simulador solar. A comparação entre as medidas pode otimizar as técnicas de deposição de filmes semicondutores sobre o substrato condutor em relação aos tempos e taxas de deposição, quando for o caso, de modo a melhorar a eficiência na conversão energética das DSSCs.
Indicadores, Metas e Resultados
Para molhabilidade
Do ponto de vista científico, espera-se a obtenção dos critérios topográficos para transição dos estados de molhabilidade, a aferição das equações de Wenzel e Cassie-Baxter e, também, a obtenção de um critério para a superhidrofobicidade, levando a uma maior compreensão do papel da micro e da nano-estrutura neste regime.
Para as DSScs
Espera-se otimizar as técnicas de deposição de filmes semicondutores sobre o substrato condutor em relação aos tempos e taxas de deposição, quando for ocaso, de modo a melhorar a eficiência na conversão energética das DSSCs. Espera-se, também, estabelecer uma correlação entre as técnicas distintas e eficiência, e, dentro de cada técnica, a relação entre os parâmetros de deposição e a eficiência.
Mais especificamente, busca-se compreender como as propriedades topográficas dos filmes depositados influenciam nas propriedades ópticas, electro-químicas e elétricas das células montadas.
Do ponto de vista científico, espera-se a obtenção dos critérios topográficos para transição dos estados de molhabilidade, a aferição das equações de Wenzel e Cassie-Baxter e, também, a obtenção de um critério para a superhidrofobicidade, levando a uma maior compreensão do papel da micro e da nano-estrutura neste regime.
Para as DSScs
Espera-se otimizar as técnicas de deposição de filmes semicondutores sobre o substrato condutor em relação aos tempos e taxas de deposição, quando for ocaso, de modo a melhorar a eficiência na conversão energética das DSSCs. Espera-se, também, estabelecer uma correlação entre as técnicas distintas e eficiência, e, dentro de cada técnica, a relação entre os parâmetros de deposição e a eficiência.
Mais especificamente, busca-se compreender como as propriedades topográficas dos filmes depositados influenciam nas propriedades ópticas, electro-químicas e elétricas das células montadas.
Equipe do Projeto
| Nome | CH Semanal | Data inicial | Data final |
|---|---|---|---|
| CAROLINE SCHMECHEL SCHIAVON | |||
| CRISTIANE WIENKE RAUBACH | 5 | ||
| ISADORA BRASIL DE OLIVEIRA | |||
| Lucas Luís Bergonsi Barcellos | |||
| MARIO LUCIO MOREIRA | 5 | ||
| MARLON DA SILVA HARTWIG | |||
| MATEUS MENEGHETTI FERRER | 5 | ||
| PEDRO LOVATO GOMES JARDIM | 10 | ||
| SERGIO DA SILVA CAVA | 5 | ||
| VINICIUS NIZOLI BECKER | 5 |