se ligar a fonte, o processo é idêntico ao software da fonte de alimentação já explicado. Caso seja
alterado o Modo de Controlo, Porta de Saída e Estado da fonte, volta a ser a atribuída a opção
correcta. Caso o operador introduza um valor de Tensão de polarização, o valor é transmitido à
fonte. Caso se desligue a fonte, actualiza#se os parâmetros para a fonte desligada, se não,
continua o ciclo de acções correspondentes à fonte ligada.
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58
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% !"
!"
O objectivo principal do trabalho é conceber um software que controle e monitorize os parâmetros da descarga, a temperatura e a tensão aplicada ao porta substratos. Este software, que será uma integração de todas as rotinas que incorporam os softwares desenvolvidos, descritos anteriormente, será descrito neste capítulo. No subcapítulo a seguir serão apresentados e discutidos resultados de experiências efectuadas de forma independente com intuito de verificar a funcionalidade quer do software, quer do porta substratos. As experiências efectuadas tinham como objectivo a caracterização da evolução da temperatura de aquecimento em relação ao tempo, a caracterização da temperatura com a potência fornecida à resistência de aquecimento, e a produção de filmes de TiO2com aquecimento de substrato.
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0
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1
O software final tem por base a integração dos softwares descritos nos capítulos anteriores. Basicamente, do ponto de vista da programação, foram adaptados os códigos individuais de cada software já desenvolvido. Tomou#se sim em atenção, o modo como o código final iria ser executado, uma vez que a programação por eventos, com várias rotinas a correr, força um processamento paralelo. Estas rotinas que correm em paralelo e que interagem com o hardware, se não forem optimizadas na utilização dos recursos causam interrupções do programa.
A programação efectuada, permite trabalhar#se com parâmetros de controlo do equipamento pretendido, quer em simultâneo com outros parâmetros de controlo, quer de forma individual, possibilitando assim que só se execute o código do aparelho escolhido. Na montagem efectuada, poderá haver sempre a possibilidade de uma ou mais portas de comunicação em série que não estejam conectadas, sendo que nesta situação, ao executar#se o código, haverá erro devido à comunicação, terminando o programa. A possibilidade de escolher os parâmetros de controlo traz a vantagem de
evitar este tipo de erros. A con controlo, excluindo a opção da
Por haver demasiados tab’s (ver Figura 24), em que todos os parâmetros e gráficos tabela de dados, que permite Estas opções tornam a interfa aplicação que se destina.
Na Figura 24 está repr legendagem. Na interface pode os parâmetros que serão monito repetidos das interfaces dos o descrição tão pormenorizada.
Figura 24 – Interface principal do temperatura e a polarizaç
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A contagem do tempo é local, havendo contagens ão da polarização.
ados objectos visíveis na interface optou#se por separ que a tab principal apresenta o controlo e a monitor áficos com as medições efectuadas, estando na segun rmite acompanhar vários parâmetros que se vão ad interface mais cómoda e funcional para o utilizado
tá representada a interface do software final, e a e pode#se ver os parâmetros que interagem com o ut monitorizados. Muitos dos ícones e respectivos parâm
dos outros softwares. Para esses casos não será f
do software final que irá controlar os parâmetros da ização do porta substrato.
gens para cada
separá#la em 2 orização de segunda tab a adquirindo. ilizador para a respectiva o utilizador e parâmetros são será feita uma
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1. Comutador Tab Tabela de Dados, apresenta a tabela com todos os parâmetros monitorizados. A seguir à descrição do Tab principal, será apresentado a tabela de dados.
2. Este é o Tab principal, Tab Interface. É o Tab visível na interface, e onde estão todos os parâmetros de controlo. Para comutar entre as duas Tabs é só clicar por cima do nome, como mostra a legenda os pontos 1 e 2.
3. Botão Controlo Temperatura do tipo On/Off, que permite fazer a conexão com o controlador de temperatura e utilizar os seus parâmetros. Ao ser accionada inicia#se a contagem do tempo associado à medição de temperatura. Pondo a Off, pára a aquisição, havendo sempre a possibilidade de colocá#lo a On, desde que o programa esteja a correr.
4. Porta de comunicação para conexão com o controlador de temperatura. 5. Temperatura medida pelo controlador de temperatura.
6. Setpoint introduzido.
7. Controlador que permite introduzir os valores limite de potência, corrente e tensão e os respectivos mostradores com os valores lidos.
8. Botão Controlo Pressão do tipo On/Off, que permite fazer a conexão com o controlo de Pressão, e medir a pressão. Ao ser accionada inicia#se a contagem do tempo associado à medição da pressão. Pondo a Off, pára a aquisição, mas há sempre a possibilidade de colocá#lo a On, desde que o programa esteja a correr.
9. Mostrador da pressão medida.
10. Botão Polarização do tipo On/Off, que permite fazer a conexão com a fonte de polarização e utilizar os seus parâmetros. Pondo a Off, pára a aquisição, mas há sempre a possibilidade de colocá#lo a On, desde que o programa esteja a correr. O segundo ícone serve para escolher a porta de comunicação à fonte de polarização.
11. Botão Maxtek do tipo On/Off, que permite fazer a conexão ao Maxtek e monitorizar a taxa de deposição e a espessura do filme. Ao ser accionada inicia#se a contagem associado à medição da espessura. Pondo a Off, pára de a aquisição, mas há sempre a possibilidade de colocá#lo a On, desde que o programa esteja a correr.
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13. Mostrador da espessura do filme medida.
14. Botão que permite ligar a fonte de polarização, acendendo o led em baixo. Ao lado está o botão complementar que permite desligar a fonte de polarização e o respectivo led.
15. Controlador que permite introduzir a tensão de polarização. 16. Tensão de polarização.
17. Gráfico Pressão/Tempo que mostra a variação da pressão no tempo.
18. Botão que permite ligar a fonte de alimentação, acendendo o led em baixo. Ao lado com o respectivo led, está o botão complementar que desliga a fonte de alimentação.
19. Porta de comunicação que permite conectar com a fonte de alimentação. 20. Botão Fonte Alimentação do tipo On/Off, que permite fazer a conexão com a
fonte de Alimentação e utilizar os seus parâmetros. Pondo a Off, pára a aquisição, mas há sempre a possibilidade de colocá#lo a On, desde que o programa esteja a correr.
21. Led Descarga, que se acende quando há uma descarga, contabilizando o tempo de duração. O tempo é mostrado no mostrador ao lado.
22. Gráfico Temperatura/Tempo que mostra a variação da temperatura no tempo. 23. Ícone onde se escreve o material que está a ser utilizado como alvo.
24. Botão STOP, interrompe de imediato o programa, desligando as fontes caso estejam ligadas.
25. Gráfico Espessura/Tempo, mostra o crescimento do filme em ordem ao tempo.
26. Gráfico Corrente/Tensão, mostra a variação da corrente em ordem à tensão.
O ponto 1, como referido anteriormente, dá a opção de comutar com outra Tab Tabela de Dados. Caso seja escolhido, aparecerá uma tabela com todos os parâmetros que estão a ser medidos e a correspondente evolução temporal. Tab Tabela de Dados:
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Figura 25 – Interface secundário do software final que apresenta a tabela com todos os parâmetros medidos.
Todos valores à medida que são adquiridos, são guardados ficheiros txt, para posterior utilização.
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Com o software de controlo a funcionar, iniciou#se a fase das montagens para testes e experiências. Os testes consistiram na calibração de aquecimento do porta substratos, com vista a saber qual seria a relação entre a potência fornecida à resistência e a correspondente temperatura atingida, tendo em consideração a duração temporal.
Ligou#se a resistência de aquecimento a um variac, que fornece tensão em corrente alterna até aos 240 V. Os testes basearam#se em aquecer o porta substratos com uma tensão que ia dos 20 V aos 180 V, em intervalos de 20 V. Para cada uma dessas tensões foi monitorizado o tempo e a temperatura, até esta última estabilizar. O aquecimento foi independente de qualquer controlo, incluindo do controlador de temperatura. O gráfico a seguir apresenta o comportamento do aquecimento em relação
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ao tempo para as diferentes tensões aplicadas, com a resistência de aquecimento de 270 N.
°
Figura 26 – Gráfico que mostra a relação temperatura vs tempo para diferentes tensões.
Durante este teste, parou#se quando a temperatura estabilizava#se. Para este gráfico foi feita uma interpolação dos dados obtidos para as diferentes tensões, que vai até os 100.000 s.
O gráfico da Figura 26 permite#nos observar que, quanto maior a tensão aplicada à resistência de aquecimento, menor é o tempo para estabilização da temperatura, e maior é a temperatura atingida. É pertinente recordar que o volume do porta substratos é 125,6 cm3. Os valores das tensões fornecidas pelo variac, são valores nominais, ou seja,
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valores máximos de tensão. Para a corrente alterna, a potência média relaciona#se com a tensão máxima através da equação [15]:
@28A! (4.1) em que@8é a tensão máxima aplicada, e R a resistência.
A tabela seguinte mostra o comportamento entre as grandezas que estão envolvidas no processo de aquecimento do porta substratos, e dá os valores da potência média calculados a partir da equação 4.1, sendo a resistência de 270 N.
Tabela 2- Relação entre a tensão aplicada, a potência, a temperatura e o tempo gasto
Através, quer do gráfico, quer da tabela, podemos observar que nos incrementos de tensão, às tensões mais elevadas há um menor aumento da temperatura, concluindo que estaremos a atingir um ponto de saturação, em que a potência fornecida já não só se traduz num incremento de temperatura e como parte significativa dessa potência fornecida é perdida por irradiação do porta substratos. Existem três formas de transferência de calor: condução, convecção e radiação [16]. O porta substratos está apoiado em pés de cerâmica com baixa condutividade, o que torna desprezável a transferência de calor por condução. Por estarmos em vácuo a transferência de calor por
Tensão (V) Potência (W) Temperatura (ºC) Tempo (s) Tempo em horas 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0,74 2,96 6,67 11,85 18,52 26,67 36,30 47,41 60,00 56 113 175 216 271 309 346 399 418 50000 50000 40000 30000 28000 23000 21500 20500 16000 13 h : 53 min 13 h : 53 min 11 h : 6 min 8 h : 20 min 7 h : 46 min 6 h : 23 min 5 h : 58 min 5 h : 41 min 4 h : 26 min
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convecção não é considerada, restando a transferência por radiação que não requer um meio intercalar.
Nessas condições de temperatura estacionária, podemos considerar que a taxa de transferência de calor do porta substratos para o meio é igual à potência fornecida pela resistência.
A taxa de transferência de calor por radiação é dada pela equação de Stefan/ Boltzmann [16]:
BCD;: EF G H% I/-HJ 4.2
em que BCD;: é a taxa de transferência de calor por radiação, E a emissividade da superfície do material, F a constante de Stefan/Boltzmann que é igual a 5.67×10#8W/(m2BK4), a área, temperatura à superfície do material e I/- a temperatura do meio envolvente.
Fazendo os cálculos para termos em função deBCD;:, obtemos a equação:
H 1
EF BCD;: I/-H
1 4⁄
4.3 A partir da equação 4.3 podemos ter valores teóricos para a temperatura, em função da potência. Por conseguinte, fez#se uma comparação dos valores calculados com os experimentais.
O porta substratos é feito de aço inoxidável e para este material a emissividade 0,17 [16]. A área de radiação de calor é 0,018 m2, e tem#se dentro da câmara uma temperatura estimada de 25ºC, pelo que se usou esta temperatura como temperatura envolvente.
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O gráfico seguinte compara os valores, valores experimentais e os calculados:
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" # $!
Figura 27 – Gráfico que mostra a relação entre a potência e a temperatura atingida.
O ajuste aos pontos é feita recorrendo à equação K L M# 7 N⁄ , por ter a dependência entre os parâmetros semelhante à equação 4.3, sendoL I/-H,M 7
OPQe
R # 4.
Como expectável, estes dados e seu ajuste analítico, permitem estimar a temperatura máxima que o porta substratos possa atingir em termos da potência que lhe aplicamos. Outra informação que pode ser obtida é que a colocação de uma segunda resistência idêntica, aproximamos do valor limite do revestimento da temperatura máxima admissível para estas resistências (750ºC).
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De modo a testar a eficiência do porta substratos na produção de filmes cristalinos e verificar a robustez dos softwares desenvolvidos, foram realizadas experiências com vista à obtenção de filmes de TiO2.
A experiência realizada consistiu em produzir filmes de TiO2em substratos sem
serem aquecidos e com aquecimento a 200 ºC. Para efeitos de comparação da estrutura obtida com o substrato aquecido, fez#se o tratamento térmico de um dos filmes obtidos com o substrato sem ser aquecido.
A pressão de trabalho foi de 0,8 Pa e a pressão parcial de O2 na descarga foi
0,08 Pa, equivalente a 10% de O2durante a deposição. A taxa de deposição foi de 0,1
kÅ/s,tendo o filme no final da deposição uma espessura de 0,273 kÅ. Estas condições encontram#se resumidas na tabela 3.
Tabela 3- Condições experimentais
Pressão de trabalho Fluxo de Árgon Pressão parcial O2 Temperatura do substrato Taxa de deposição Percentagem de oxigénio
Distância entre o alvo e o substrato
0,8 Pa 52,8 SCCM 0.08 Pa 200 ºC 0,1 kÅ/s 10% 5,5 cm
Para saber a estrutura dos filmes produzidos, estes foram caracterizados estruturalmente por difracção de raios X. Esta técnica baseia#se na difracção do feixe de raios X pelos electrões dos átomos do sólido, que ocorre devido ao facto do comprimento de onda da radiação incidente ser da mesma ordem de grandeza das distâncias interatómicas. A regularidade da distribuição dos átomos na rede leva a
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interferência construtiva da radiação difundida por planos atómicos consecutivos para determinados ângulos de incidência e a interferência destrutiva segundo outros ângulos, permitindo a determinação da estrutura cristalina.
Os difractogramas foram obtidos à temperatura ambiente num difractómetro automático Philips Analytical PW 3050/60 X’Pert PRO (theta/2 theta), com controlo e aquisição de dados automáticos (software X’Pert Data Collector (v2.0b)). Neste trabalho utilizou#se a radiação X Kα de uma ampola de cobre, operando a 40 kV e 30
mA. A calibração do difractómetro foi efectuada com o padrão silício, que é adequado para a zona de varrimento requerida para estes compostos. O registo dos difractogramas foi realizado para valores de 2θ compreendidos entre 20º e 90º.
De modo a identificar uma substância cristalina através do seu difractograma recorre#se, geralmente, à comparação das distâncias interplanares, dhkl, e das
intensidades das reflexões observadas com dados já catalogados, como por exemplo, o índice elaborado por "Joint Committee on Powder Difraction Standard" (JCPDS) [17], que foi utilizado neste trabalho. Neste índice podem encontrar#se milhares de ficheiros correspondentes a amostras cristalinas puras, catalogadas segundo os valores das distâncias reticulares (dhkl) referentes às três riscas mais intensas.
Nos gráficos das figuras 28, 29 e 30 são apresentados os difractogramas correspondentes aos filmes obtidos sem aquecimento de substratos, com aquecimento de substratos e sem aquecimento de substratos mas com tratamento térmico a 400 ºC durante 4 horas em forno tubular, respectivamente.
69 % & θ θ θ θ ° ! " # $ % & ' (
Figura 28 – Difractograma do filme produzido sem aquecimento de substrato.
A análise do difractograma do filme obtido com alvo de titânio, mostra que o filme produzido sem aquecimento é amorfo.
Para o filme produzido com aquecimento do substrato, pode#se facilmente observar diferenças de intensidade entre os picos de difracção do filme, produzido por tratamento térmico e o filme produzido por aquecimento de substrato. Poderá estar relacionado com o facto de o tratamento térmico no forno ter sido feito a 400 ºC, durante quatro horas, e o aquecimento do substrato ser de 200 ºC, com a duração de deposição de uma hora e trinta minutos.
Este estudo revela que ao haver aquecimento do substrato durante a deposição de Ti em atmosfera de oxigénio, favorece a formação de dióxido de titânio cristalino, sem que seja necessário proceder a posterior tratamento térmico para permitir a obtenção de filmes cristalinos.
Este resultado é de extrema importância, uma vez que se poderá utilizar como substratos materiais que não podem ser submetidos a tratamentos térmicos a temperaturas elevadas, como é o caso, por exemplo, os polímeros.
70 % & θ θ θ θ ° ' ! " #$ ) & ' ( °) * * +ã ! ,
Figura 29 – Difractograma do filme com tratamento térmico.
% & θ θ θ θ ° ' ! " # $ ) - ' °) ( * ' . ,
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A análise comparativa dos difractogramas dos filmes obtidos, mostra que o filme produzido sem aquecimento é amorfo e que os filmes produzidos utilizando, ou aquecimento de substratos ou recozimento no forno, apresentam picos de difracção correspondentes à fase TiO2(estrutura cristalina anatase), indexados de acordo com a
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Este trabalho teve como objectivo a construção do porta substratos com controlo de temperatura para ser utilizado num sistema de pulverização catódica. Sua construção teve em conta sua integração e montagem no sistema, adaptação à resistência de aquecimento e controlador de temperatura, como também as propriedades do seu material. Em paralelo foram também actualizadas e desenvolvidas rotinas de software para a automatização do controlo e monitorização dos parâmetros importantes de Descargas Luminescentes Anómalas na sua utilização para a obtenção de filmes finos e controlo do respectivo porta substratos.
As rotinas desenvolvidas para: a fonte de alimentação do plasma, a fonte de polarização do porta substratos, o controlador da temperatura, a unidade de monitorização da deposição e da unidade de leitura de pressão, foram testados com os correspondentes equipamentos à medida que iam sendo desenvolvidos individualmente. Todas estas rotinas encontram#se funcionais e podem ser utilizadas de forma independente.
Terminada a implementação do software, a construção e montagem do porta substratos no sistema, realizaram#se testes de temperatura e obtiveram#se alguns filmes de TiO2, para estudo. A caracterização estrutural dos filmes produzidos com o porta
substratos a uma temperatura de 200 ºC, mostrou a formação da estrutura cristalina pretendida, isto é, filmes de TiO2 com estrutura anatase. Logo desde os primeiros
ensaios os resultados foram bem sucedidos e fundamentam o cumprimento dos objectivos propostos.
Ainda durante na fase de obtenção dos filmes finos, inicio#se o desenvolvimento de um software direccionado à produção de filmes finos neste sistema. Com a integração de todas as rotinas produzidas. Para que numa interface única se pudesse controlar e monitorar todo o processo, bem como introduzir funcionalidades automáticas na produção desses filmes. Esta implementação foi concluída com sucesso, havendo já uma versão preliminar em funcionamento que vem sendo afinada conforme as necessidades que vão aparecendo.
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5
[1] Thomas J. Dolan. Fusion Research, principles, experiments and technology. Pergamon Press, 1982.
[2] André J. M. L. V. Wemans. Interface Polímero/Alumínio em Fibras Ópticas “Wave Length Shifter” para Calorímetro Hadrónico (TILECAL/ATLAS). Tese de Mestrado, FCT/UNL, 2000.
[3] Brian Chapman. Glow Discharge Processes, sputtering and plasma etching. John Wiley and Sons, 1980.
[4] Clarisse M. G. S. Nunes. Preparação e Caracterização de Revestimentos Compósitos com Selectividade Espectral para Aplicações em Colectores Solares Térmicos. Tese de Doutoramento, Universidade do Minho, 2004.
[5] Yuri F. S. Nunes. Descargas Luminescentes Anómalas com Cátodos Magnetrão. Filmes Finos com Gradiente de Composição em Profundidade. Tese de Doutoramento, FCT/UNL, 2006.
[6] Donald H. Gurnett and Amitere Bhattacharjee. Introduction to Plasma Physics, with space and laboratory applications. Cambridge University Press, 2005.
[7] Paulo R. S. Gordo. Descargas Anómalas sobre Cátodos Magnetrão. Espectroscopia Óptica com Resolução Espacial. Tese de Doutoramento, FCT/UNL, 2005.
[8] John A. Venables. Introduction to Surface and Thin Film Processes. Cambridge University Press, 2001.
[9] Wei Zhou, Xiaoxia Zhong, Xiaochen Wu, Luqi Yuan, Qiwei Shu, Wei Li and Yuxing Xia. Low temperature deposition of nanocystalline TiO2films: enhancement of
nanocrystal formation by energetic particle bombardment. Journal of Physics D: Applied Physics 40 (2007) 219#226.
[10] Zhao Lei, Lian Jian#she. Effect of substrate temperature on structural properties and photocatalytic activity of TiO2 thin films. Science Direct, Trans Nonferrous Met.
74
[11] Preetam Singh, Ashvani Kumar, Davinder Kaur. Substrate effect on texture properties of nanocrystalline TiO2thin films. Physica B 403 (2008) 3769#3773.
[12] Manual do medidor de espessuras Maxtek TM200R.
[13] Manual da resistência de aquecimento Firerod Cartridge Heaters, Watlow.
[14] Manual CAL 3300 Autotune Temperature Controllers.
[15] Richard C. Dorf and James A. Svoboda. Introduction to electric circuits. Jonh Wiley & Sons, Inc, 4ª edição.
[16] Yunus A. Çengel and Michael A. Boles. Termodinâmica. McGraw#Hill, 3ª edição, 2001.
75