OBTENÇÃO DE FILMES DE TiO2 EM AMOSTRAS DE VIDRO POR DEPOSIÇÃO EM GAIOLA CATÓDICA

ISBN 978-85-85905-25-5

Área

Materiais

Autores

Vitoriano, J.O. (UFRN / UFERSA) ; Lima, R.N. (UFERSA) ; Alves Junior, C. (UFRN / UFERSA)

Resumo

Utilizando a técnica de deposição por descarga em gaiola catódica em tempos de processamento de 6 e 12 horas na temperatura de 130°C, revestimentos à base de TiO₂ foram produzidos por plasma de Argônio e Oxigênio, usando como substrato, o vidro. Os filmes formados foram caracterizados pelas técnicas de Difração de Raios-X (DRX), Espectrometria no Ultravioleta/Visível (UV/Vis) e Medidas de Ângulo de Contato. O Experimento foi monitorado por Espectroscopia de Emissão Óptica (Optical Emission Spectroscopy – OES) nas etapas de limpeza por sputtering e deposição. Em todas as condições, o filme de TiO₂ formado apresentou a fase anatase, com característica hidrofóbica superiores ao vidro não tratado e características óticas distintas.

Palavras chaves

Plasma; Gaiola catódica; Deposição

Introdução

A importância tecnológica do dióxido de titânio está baseada na sua eficiência em processos industriais. Pesquisas buscam expandir ainda mais essas aplicações, focando, principalmente, nas propriedades ópticas das formas cristalinas rutilo e anatase (ZALLEN; MORET, 2006; SEABRA, et al., 2011; FELTRIN et al., 2013). Bastante eficiente em fotocatalisadores, o anatase possibilita a produção de radicais hidroxilas apenas por absorção de luz (HACHISU et al., 2016). É conhecido que as hidroxilas reagem com diferentes compostos, permitindo a sua total mineralização, gerando compostos inócuos, contribuindo, assim, ativamente na preservação ambiental (NOGUEIRA; JARDIM, 1998; HASHIMOTO et al., 2005). Atualmente, diversas técnicas de deposição de filmes finos são utilizadas para a obtenção do TiO₂. Processos de deposições por descarga em gaiola catódica obtiveram a fase rutilo na temperatura de 400°C e a fase anatase nas temperaturas de 300°C (SOUZA et al., 2016). Deposições utilizando o vapor químico sob duas temperaturas (120°C e 250°C) conseguiram filmes amorfos de TiO₂ (BATTISTON et al., 2000). Ainda não existe um consenso sobre o papel exato da temperatura e outros parâmetros no controle das propriedades de cristalinidade, orientação e morfologia para a deposição de filmes finos a baixa temperatura (TOKU et al., 2010). O objetivo deste trabalho foi analisar o crescimento de filmes finos de dióxido de titânio, utilizando a técnica de deposição por descarga em gaiola catódica a temperatura de 130°C em tempos de processamento de 6 e 12 horas, bem como a caracterização de suas propriedades pelas técnicas de Difração de Raios-X (DRX), Espectrometria no Ultravioleta/Visível (UV/Vis) e Medidas de Ângulo de Contato.

Material e métodos

O substrato de vidro (dimensões: 2 mm espessura x 13 mm largura x 20 mm de comprimento) utilizado para deposição foi submetido a um rigoroso processo de limpeza (10 minutos) em cuba de banho ultrassônico (Lavadora Ultrassônica L100- Schuster 220V) em solução de acetona P.A. O processo de deposição ocorreu em uma câmara de deposição, de formato cilíndrico confeccionado em aço inoxidável (dimensões: 320 mm diâmetro x 500 mm altura). Uma janela de quartzo na região superior permitiu o acoplamento de uma fibra óptica. Apontou-se diretamente para a descarga luminescente, interligada a um espectrômetro (USB4000 UV-VIS Ocean Optics). A gaiola catódica de titânio comercialmente puro tipo II (Ticp II) possuía 70 mm de diâmetro, 34 mm de altura, 16 orifícios dispostos lateralmente, todos os furos de 12,5 mm de diâmetro, a tampa da gaiola possuía com 12 furos de 12,5 mm de diâmetro, distribuídos uniformemente (VITORIANO et al., 2017). A amostra foi colocada sobre um disco isolante de alumina. O processo de deposição ocorreu em duas etapas: primeiramente, a etapa de limpeza (atmosfera de 50sccm de Ar; pressão de 0,5 mbar; potência 92,3 W; tempo ligado 50ms – tempo desligado 150 ms; 50°C); em seguida, a etapa de deposição (atmosfera oxidante constituída de uma mistura de 45 sccm Ar + 5 sccm O₂; pressão de 0,5 mbar; potência 98,4 W; tempo ligado 50 ms - tempo desligado 150 ms; 130°C). Os espectros de emissão ótica de ambos os plasmas foram coletados e comparados com o banco de dados de transição atômica NIST (RALCHENKO et al., 2008). O ângulo de contato foi medido nas superfícies tratadas por 6 horas (V/TiO₂/6h), 12 horas (V/TiO₂/12h) e padrão (V). A análise de molhabilidade consistiu, basicamente, em depositar uma gota de água destilada sobre a superfície e medir o ângulo de contato formado pela gota. As imagens foram capturadas por meio de câmera modelo VP 540 s Intelbrás, sendo os ângulos calculados a partir dessas imagens. O cálculo do ângulo de contato foi feito utilizando o programa Surftens® 3.0., no qual se mede o ângulo de contato entre a superfície da amostra e o plano tangencial à superfície líquida. As análises GIXRD (Difração de Raios X de Incidência rasante) foram realizadas no CITED – UFERSA, em um difratômetro, modelo XRD-6000, no qual foram usados os ângulo de incidência de 1,0°, radiação Cu Ka em uma varredura 2θ de 20,0 a 60,0, com passo de 0,02° e tempo de contagem de 1 segundos. A identificação das fases foi realizada com o auxílio do programa Match, com base no banco de dados de estruturas cristalinas (COD) e nos dados obtidos na literatura. As medidas de transmitância foram feitas utilizando um espectrofotômetro Genesys 10 UV, com lâmpada de xenônio na faixa de comprimento de onda entre 190 e 1100 nm, com exatidão de ±1 nm, com leitura de transmitância de 0,3 a 125 %T.

Resultado e discussão

As linhas de emissão de 190 nm a 900 nm foram coletadas para os plasmas na fase de limpeza e no processo de deposição. Observaram-se em ambas as condições de plasma uma banda de OH (X²Π ← A²Σ+) a 308,5 nm e fortes linhas de emissão de argônio atômico (4s ← 4p) na faixa de 690 a 853 nm. Na fase de deposição foram visualizadas moléculas de oxigênio e átomos de oxigênio, conforme a Figura 1a. A identificação dessas linhas de emissão vem do NIST (RALCHENKO et al., 2008). O pico de emissão de OH é provavelmente causado pela fragmentação de moléculas de H₂O, que se difundem do ar ambiente (LUO et al., 2014; REZAEI et al., 2018a; REZAEI et al., 2018b). As fases cristalinas foram determinadas a partir dos difratogramas de raios-X obtidos. A presença da fase cristalina anatase (96-900-9087) foi observada, bem como a região 20°<2θ<40° corresponde à parte amorfa do substrato de vidro, como pode ser visualizado na Figura 1b. Portanto, ocorreu a predominância da fase cristalina anatase em ambos processos. Na medição dos ângulos de contato, efetuaram-se três medidas para cada uma das amostras, sendo o valor apresentado o valor médio (valores médios e erro em anexo, Figura 2a). Nota-se que a molhabilidade do material é fortemente influenciada pela deposição do TiO₂. A Figura 2b mostra os espectros de transmissão dos filmes em função do tempo de deposição. Concavidades periódicas são vistas. Essa diferença na transmitância pode estar associada à diferença de espessura dos filmes e a outros fatores decorrentes disso, como a elevada concentração de tensões residuais em filmes mais espessos (HANINI et al., 2013; NAKARUK et al., 2010; NAKARUK; SORRELL, 2010).

(A) Espectros de emissão óptica do plasma; (B) Difratogramas de raios-X dos filmes de TiO2.


(A) Medição dos ângulos de contato dos filmes de TiO2; (B) Transmitância versus o comprimento de onda para os filmes de TiO2.

Conclusões

No presente trabalho, filmes de dióxido de titânio foram depositados em substratos de vidro empregando a técnica de gaiola catódica, em atmosfera de plasma oxidante (90% Ar + 10% O2). O crescimento dos filmes de TiO₂ utilizando essa técnica demostrou ser eficiente nos tempos de 6 e 12 horas de deposição na temperatura de 130°C. As análises por difração de raios-X sugerem a formação do dióxido de titânio na fase anatase para todos os tempos utilizados. A metodologia utilizada se mostrou eficiente para a obtenção de revestimentos menos hidrofílicos. Nos espectros de transmitância houve mudança significativa, indicando diferentes propriedades ópticas dos filmes e todos os filmes apresentaram transparência, independente do tempo de deposição.

Agradecimentos

Brasil (CAPES); CNPq; UFRN; Cited-UFERSA; LabPlasma-UFERSA.

Referências

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