Construc~ao e Caracterizac~ao de um Equipamento para
Deposic~ao de Filmes pela Tecnica de \Dip Coating"
C.L. Carvalho
Grupode VidroseCer^amicas,Departamento deFsicaeQumica
FaculdadedeEngenhariadeIlhaSolteira-UNESP
CaixaPostal31, 15385-000,IlhaSolteira,SP,Brasil
J.A. Varela
Departamento deFsico-Qumica
InstitutodeQumicadeAraraquara-UNESP
CaixaPostal355,14800-900, Araraquara,SP, Brasil
Recebidoem12desetembrode2000. Aceitoem23deabrilde2001.
Neste trabalho, apresentamos a construc~ao e caracterizac~ao de um equipamento utilizado na
preparac~aode lmes nospelatecnicaconhecidapordip-coating. Talequipamentopermite
contro-larcomprecis~aoavelocidadedemergulhamento/puxamentodosubstratonoqualseradepositadoo
lme. Avelocidadeefundamentalparacontrolarauniformidadeeaespessurado lme. Emgeral,
aviscosidadedasoluc~aoprecursoraeumpar^ametromuitoimportantenaobtenc~aodos lmes.Em
nossocaso,foiusadaumasoluc~aocomviscosidadeemtornode20cP,eavelocidadedepuxamento
foi limitadaentre 0,2 e 2,5 mm/s. Oequipamento foicontrudo utilizando-se materiais baratos,
facilmenteencontradosnomercadonacional. Oprojeto eapresentadodeforma detalhada
propi-ciandoumafacilcompreens~aoeconstruc~ao. Alemdisso,s~aoapresentadoscomoresultadosalgumas
caractersticascomovelocidadedepuxamento,espessuraeestruturadealguns lmesobtidospelo
equipamentoconstrudo.
Inthiswork, weshowthebuildingandcharacterization oftheequipmentusedinthepreparation
ofthin lmswhichisknownbyDipcoating. Thisequipmentallowustocontrolwithprecisionthe
dipping/pullingvelocityofthe lmsubstrate. Thevelocityisfundamentaltocontrolthethickness
anduniformityofthe lm. Ingeneral,the viscosity ofthe precursorsolutionisa veryimportant
parametertoobtainthe lms. Inourcase,itwasusedabout20cPforsolutionviscosityand0.2to
2.5mm/sforrangeofthedippingvelocity. Theequipmentwasbuiltwithinexpensivecomponents
easily found in the national market. We present aneasy to understand detailed project of the
Dip-coatingwhichcanbebuiltbyanyone. Somecharacteristicslikedippingvelocity,thicknessand
structureofsome lmsareshown.
I Introduc~ao
Diferentes tecnicasde deposic~ao temsido empregadas
na obtenc~ao de lmes nos/espessos desde as mais
so sticadas ate as mais simples, ou seja, Molecular
BeamEpitaxy(MBE),sputtering,Chemical Vapor
De-position (CVD), screen-printing, spin-coating,
paint-on, dip-coating. Acontece que nem sempre torna-se
necessariousaras tecnicasmaiscaraparaseobter
re-sultados interessantes. A tenica dedeposic~aopor
mer-gulhamento, mais conhecida por di-coating, tem sido
muitssimousadafornecendobonsresultadosdentrodo
necessario. Porem, temse percebido que, no mercado
aplicaratecnicaem quest~ao,sempretem apresentado
algum tipo de problema para seus usuarios. Assim,
nestetrabalho,apresentamosumaopc~aodeconstruc~ao
deumequipamentosimples,baratoequeapresenta
re-sultados excelentes, isto e, lmes com espessura bem
controlada,devidoagrandefaixadevelocidadeestavel
obtida,ecomsuperfcieuniforme.
II Princpio de funcionamento
Oprincpiodefuncionamentodoequipamentoemuito
mer-viscosidade e depois retira-lo da mesma com uma
ve-locidade controlada e constante, de tal maneira que
n~aoexistam vibrac~oesouqualqueroutrotipode
inter-fer^encia,sejacomasoluc~aooucomosistemaqueefetua
opuxamento. Oprocessodedeposic~aoedivididoem5
estagios: imers~ao,start-up,deposic~ao,secagemeev
ap-orac~ao[1,2]. NaFig. 1, podemosverumesquema do
processo. Comsolventesvolateis,taiscomooalcool,a
evaporac~aonormalmente acompanha ostart-up, a
de-posic~ao e adrenagem. Quando um substrato esta se
movendodentrodeumlquido,arrastandoascamadas
vizinhasdesselquidonadirec~aodaregi~aodedeposic~ao
(RD), onde as camadas vizinhas separam-seem duas,
acamada maisinterna move-se paracima juntamente
com o substrato, enquanto a mais externa retorna a
soluc~ao (Fig.1f). De maneira geral, pode-se tratar o
escoamento deum uidoatravesdelinhas decorrente
ques~ao oscaminhostracados porpequenos elementos
de uido[3,4].
Figura 1. Esquema dos varios estagios que comp~oem o
processo dip coating. (a) Imers~ao do substrato com
in-dicac~ao dearraste das camadas maisproximas, (b) incio
daretiradadosubstratodasoluc~aocomarraste paracima
das camadas mais proximas, (c) deposic~ao da camada de
soluc~aomaisproximadosubstrato,setasindicativasde
as-cens~ao, ecamadasmaisafastadasretornamasoluc~aocomo
indicado pelas setas descendentes, (d) secagem do lme
depois de totalmente emerso, (e) evaporac~ao da soluc~ao
durante a emers~ao e (f) detalhamento das linhas de
cor-rentes em ascens~ao, regi~ao de deposic~ao proxima ao
sub-stratoe opontochamadodeestagnac~ao(S)daslinhas
as-cendentes/descendentes.
Aespessura do lmedepositadoestarelacionado a
posic~ao daslinhas de correntes,dividindo as camadas
quev~aoparacimaeasquesemovemparabaixo. Uma
competic~ao entre 6 forcas na regi~ao de deposic~ao do
lme governa a espessura do mesmo e a posic~ao das
linhasdecorrente[11]. S~aoelas:
a. arrasteviscosodolquido,paracima,pelo
movi-b. forcadagravidade
c. forcaresultantedatens~aosuper cialdomenisco
d. forcainercialdacamadavizinhadelquidos que
chegam daregi~aodedeposic~ao
e. gradientedatens~aosuper cial(forcaporunidade
dearea)
f. apress~ao(forcaporunidadedearea)deconex~ao
e desconex~ao (importante para lmes de espessura <
1m).
Quandoaviscosidade eavelocidadedosubstrato
U s~ao bastante altas para diminuir a curvatura do
menisco, ent~ao a espessura h do lme depositado e
quembalanceiaaviscosidadedearrasteU=heaforca
dagravidadegh[1], h=C 1 (U=g) 1=2 (2:1) onde C 1 = 0.8 e a constante de proporcionalidade (lquidosnewtonianos) =densidade g=acelerac~aodagravidade
Quandoa velocidadedo substrato e a viscosidade
dolquidon~aos~aomuitoelevadas,comoefrequenteno
casodo processamentoSol-Gel,obalancoemodulado
pelataxadaviscosidadedearrasteeatens~aosuper cial
lquido-vapor(
LV
), deacordocomarelac~ao de nida
porLandau-Levich[1] h=0:94(U= LV ) 1=6 (U=g) 1=2 (2:2)
Portanto,deacordocomodescritoacima,paraseobter
lmes deboa qualidade, necessita-se umequipamento
estavel,livre devibrac~oes,com controlede velocidade
e cazeeclarocom,conhecimento dadensidade e
vis-cosidadedasoluc~aoutilizadanadeposic~ao.
III Material e metodo
Existemalgunsequipamentosnomercadonacionalque
permitemfazeradeposic~aodepelculasmuito nas
so-bresubstratos,usandoatecnicadepuxamento, no
en-tanto,osmesmosn~aotemoferecidoumaboa
uniformi-dade naspelculas. Assim, optou-se porconstruir um
equipamentocomumacertaversatilidadeetotalmente
nacional. AFig. 2mostraumesquemadodip-coating,
construdo em nosso laboratorio. Esse equipamento
permite controlar a velocidade de puxamento atraves
Figura2. Esquemadodip coatingconstrudo.
Omaterialusadonaconstruc~aodosistemade
pux-amento ou dip-coating, que daqui pra frente
denom-inaremos por DP, pode ser encontrado facilmente no
mercado nacional ou em ferros velhos. A base (1) foi
feita de ferro utillizando-se uma fresa para que fosse
obtida a esquadria de todos seus componentes. Esse
material sendopesado contribui tambem para a
esta-bilidade do sistema. O motor (2) e de limpador de
parabrisadecarro,particularmente,decarrospequenos
porquen~aonecessitadegrandesesforcosetambem
de-vido aoseubaixocusto (quandousado). Aspolias(3)
foram feitas de lat~ao que e facilmente usinado e, no
seu interior foram colocados rolamentos com o
obje-tivodediminuiroatritoquandodapassagemdo ode
transmiss~ao (4). Orolamento (5) e uma parte
funda-mental de um sistema desse tipo, pois o mesmo deve
evitaroscilac~oesevibrac~oesdossubstratosquando
re-tiradosdasoluc~ao,nessecasotrata-sedeumrolamento
linear adquirido ja como eixo apropriado. O suporte
dosubstratofoi feitocomumjacarepequeno,
normal-mente usadonaareade eletr^onica ecomum pequeno
im~aparapoder xa-loetira-lofacilmentedorolamento
(5). Atransmiss~aodomovimentodomotor parao
su-portedosubstratoefeitoatravesdeumapolia xano
eixo do motor eum o exvel comuma extremidade
xa neste e a outra extremidade xa na base do
su-evitaquepossveisvibrac~oessejam transferidasao
su-porte;eventuaisvibrac~oesprovenientesdoeixodo
mo-tor ser~ao amortecidas nas polias (3). O controle da
velocidade de puxamento e feito atraves da variac~ao
datens~aonos terminaisdo motor. Isso pode serfeito
facilmente usando-se uma fonte de tens~ao regulavel e
estavel. Ofato de variar atens~ao, dentro doslimites
de bom funcionamento do motor, n~ao comprometem
emnadaosistema. Mesmoporquetal sisteman~ao
ex-ecuta grandes esforcos. A variac~ao da velocidade do
motor pode ser feitade varias outras maneiras, como
porexemplo,variac~aodefrequ^enciadopulsodetens~ao,
masoptamosporusarequipamentosmaissimpleseque
estavam disponveis no laboratorio. Na Fig. 3
tem-seodesenhotecnicodetalhadode todas aspartes que
comp~oemoequipamentodescritoacima.
Paraacaracterizac~aododip-coating emtermos de
velocidadecomqueosubstratoemergedeumlquido,
foifeito uma calibrac~aoda voltagemaplicada aos
ter-minaisdomotoreopercursoporunidadedetempo
de-scritopelo mesmo. Opercursoporunidade detempo,
oua velocidade,foram medidos usando-seuma escala
milimetradaeumcron^ometrodigital,ambosfacilmente
disponveis em qualquer laboratorio de fsica. As
ve-locidades em quest~ao s~ao, normalmente pequenas (1
mm/s), o que implica numa grande facilidade no
mo-mentodasmedidasdosdeslocamentos. Ocircuitopara
inverter o sentido da velocidade do sistema de
puxa-mento/mergulhamento pode serbastante simples,isto
e, existem outras opc~oes factveis. Neste caso,
usou-se, simplesmente, um circuito contendo uma entrada
paraafontedetens~aoregulavel,umachaveliga-desliga,
umLEDcomo luzpilotoeumachaveliga-desligacom
duas posic~oes. O circuito utilizado esta mostrado na
Fig.4a. Nessecircuitopode-severosbornesdeentrada
datens~ao proveniente dafonte regulavel,osbornes de
sadaparaomotordc,achaveinversoradepolaridade
parainvers~aodosentidoderotac~aodomotoreoLED.
Nocasoparticularemqueomotorpossuimaisqueuma
velocidadepropria,existeumcircuitoopcionalpara
se-lecionar velocidades, bastando apenas ligar o circuito
opcionalnospontosAeB.NaFig.4b.emostradouma
Figura3. Desenhotecnico,comdetalhes,dodip coatingconstrudo.
Figura 4a. Circuito eletrico de alimentac~ao e invers~ao do
motor de(CH/L-D=Chave Liga-Desliga, CH/I =Chave
Inversora,V1 eV2s~aovelocidadesopcionais).
Figura 4b. Fotogra a do acondicionamento do circuito
eletricodealimentac~aoeinvers~aoedodipcoating.
IV Resultados experimentais
Umacurvadavelocidadedepuxamento,emfunc~aoda
tens~aoaplicada,foifeitaparaseconhecerprecisamente
de-posic~ao. Na Fig. 5, tem-se um gra co da velocidade
de puxamento dosubstrato em func~ao datens~ao
apli-cada ao motor. Nesse gra co, pode-se ver que existe
uma depend^encia linearentreavelocidadeeatens~ao,
equeosistema socomecaafuncionar apartirdeuma
tens~ao em torno de 1.5 Volts [5]. Na preparac~ao dos
lmes procurou-setrabalharcom atens~ao de2.0 V, o
que implica numa velocidade em torno de 0.2 mm/s.
Nessa faixa de velocidade, obteve-se lmes nos com
espessuradaordemde5m,ondeaespessuradepende
diretamente davelocidade depuxamento (a menos de
umfatordepot^encia)conformevistoanteriormentena
breveexplanac~aoteoricasobre oprocesso. NaFig. 6,
usando-semicroscopiaeletr^onicadevarredura,pode-se
veraespessura deum lmecomaproximadamente 15
m formado pormultiplas camadas e a uniformidade
dasuasuperfcie[5].
Figura 5. Curvade caracterizac~aodavelocidade de
puxa-mentoemfunc~aodatens~aoaplicadadodip-coating.
Figura6. Microgra aspormicroscopiaeletr^onicadasecc~ao
transversal(A)edasuperfcie(B)deum lme
supercondu-tordosistemaBi:Pb:Sr:Ca:Cu:Ocommultiplascamadas.
V Conclus~ao
Oequipamento emquest~ao, apresentoucaractersticas
extremamente interessantes paraaobtenc~aode lmes,
taiscomo, lmescomespessuracontroladaeuniforme,
bem como um equipamento facil e barato de se
con-struir. Alem disso, permiteobter uma vasta gama de
velocidadesatraves,oudousodepoliascomdiferentes
di^ametrosouvariac~aodatens~aodealimentac~ao,oque
propiciautilizarsoluc~oescomdiferentesviscosidadese
aotimizac~aodoprocessodedeposic~ao.
Agradecimentos
Osautoresagradecemmuitoacontribuic~aodoProf.
Dr. Jo~aoCarlosSilosdeMoraespelarevis~ao,sugest~oes
eincentivoseaFUNDUNESPpelosuporte nanceiro.
Refer^encias
[1] C.J. Brinker and G.W. Scherer, Sol-Gel Science: The
PhysicsandChemistryofSol-GelProcessing,
Academic-Press,Inc.(1990).
[2] C.J. Brinker, A.J. Hurd, G.C. Frye, P.R. Schunk and
C.S.Ashley,-TheCentennialMemorialIssueofJournal
oftheCeramicSocietyofJapan99(10),862-877(1991).
[3] D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Fundamentos de
Fsica,Vol.IIEditoraLTC,LivrosTecnicoseCient cos
EditoraS.A.4a.edic~ao1996,RiodeJaneiro.
[4] P.A.Tipler,Fsica,Vol.IIEditoraLTC,LivrosTecnicos
e Cient cos Editora S.A. 3a. edic~ao 1995, Rio de
Janeiro.