UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA - PDF
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
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Lucca de Oliveira da Rocha
2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE FILMES SnO 2 DEPOSITADOS EM VIDRO BOROSILICATO POR SILK-SCREEN MODIFICADO: SnCl 2.2H 2 O COMO PRECURSOR. Dissertação submetida à UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE como parte dos requisitos para a obtenção do grau de MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA JOSÉ FERNANDO VALVERDE NORONHA Orientador: Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes Co-orientador: Prof. Dr. Carlson Pereira de Souza Natal, agosto de 2007
4 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE FILMES SnO 2 DEPOSITADOS EM VIDRO BOROSILICATO POR SILK-SCREEN MODIFICADO: SnCl 2.2H 2 O COMO PRECURSOR. JOSÉ FERNANDO VALVERDE NORONHA Esta dissertação foi julgada adequada para obtenção do título de MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA sendo aprovada em sua forma final. Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes - Orientador Prof. Dr.Carlson Pereira de Souza Co-orientador BANCA EXAMINADORA Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes Presidente UFRN Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa Examinador Interno UFRN Prof. Dr.Caubi Ferreira de Souza Júnior Examinador Externo - CEFET-RN
5 Aos meus pais (in memorian). As Famílias Valverde e Noronha. Ao Prof. Dr. Francisco Fontes por sua dedicação e compreensão. Ao Bolsista de Engenharia Mecânica, Wesley Soares, pela valiosa ajuda nos experimentos. Ao Grupo de Professores do PPGEM-UFRN.
6 AGRADECIMENTOS Agradeço, em especial, ao Centro Federal de Educação Tecnológica da Bahia - CEFET-BA e à Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN que, através de convênio firmado, viabilizaram a formação de novos Mestres. O meu muito obrigado aos responsáveis pelos laboratórios e oficinas de Energia (Engenharia Mecânica), Metrologia (Engenharia Mecânica), Termodinâmica e Reatores (Engenharia Química) da UFRN e ao Núcleo de Estudos em Petróleo e Gás Natural (PETROBRÁS UFRN FINEP), em reconhecimento ao imensurável auxílio prestado durante esse caminhar.
7 [...] Toda nossa ciência, medida contra a realidade, é primitiva e infantil - e ainda assim, é a coisa mais preciosa que temos. [Albert Einstein ( )]
8 RESUMO O presente trabalho tem como objetivo investigar as características de filmes de SnO2 depositados em substrato de vidro borosilicato por um processo de silk-screen modificado para obtenção de espessura fina compatível com a aplicação em células solares policristalinas de baixo custo. O filme de SnO2 é um dos mais apropriados para obtenção de vidro TCO (transparent conductive oxide) para uso em células solares devido a sua baixa resistividade elétrica e alta transmitância, sendo quimicamente inerte, mecanicamente duro e tem resistência a altas temperaturas, o que facilita então a calcinação das amostras entre 500º C a 550º C. Os filmes foram obtidos a partir de uma solução precursora básica, preparada pela dissolução de SnCl 2.2H 2 O em Etanol (99,5 %). Foi realizado um planejamento fatorial 2 (3-1) para analisar a influência dos parâmetros concentração da solução precursora (C ETN ), temperatura de calcinação (T C ) e taxa de aquecimento (t X ) na calcinação, sendo a concentração C ETN o parâmetro que apresentou maior efeito sobre os parâmetros de respostas investigados: espessura do filme (ω), resistividade de superfície (ρ) e a transmitância relativa (θ). Foi possível obter com a metodologia utilizada, filmes com espessuras da ordem de 1 µm com resistividade de superfície de 10 Ω/ e transmitância relativa entre 70 e 80 %. Palavras-chave: Filme TCO. Silk-screen. Vidro borosilicato. Planejamento fatorial. Célula solar.
9 ABSTRACT This present work has as objective to investigate the characteristics of films deposited in a 'borosilicato' glass substratum by for a modified silk-screen process for the attainment of a fine compatible for the application in polycristaline solar cells of low cost. The SnO2 film is one of more appropriate for the attainment of TCO (transparent conductive oxide) glass due to its low electrical resistivity and high transmission. As it is chemically inert, mechanically hard and also it has resistance to high temperatures, which facilitates the calcination of the samples when the temperature reaches from 5000C to 550 o C. The films had been gotten from a basic and precursory solvent, which was prepared by the dissolution SnCl2.2H2O in etanol (99,5%). It was carried out a 2 (3-1) factorial project to analyze the influence parameters of concentration of the precursory solution (CTEN), the temperature of calcination (Tc) and the heating tax (tx) in the calcination. It was the concentration CETN the parameter which presented the major outcome on the parameters of the investigated answering: Film s thickness (ω)the resistivity of the surfece (ρ) and the relative transmission (θ).it was possible to obtain with the applyed, films with 1(µm) of thickness with surface resistivity of 10Ω/ and the relative transmission among 70 and 80%. Keywords: TCO film. Silk-screen. Borosilicato s glass. Factorial Project. Solar cell.
10 LISTA DE FIGURAS Figura 1 As tensões de expansão (a) e de compressão (b) 25 Figura 2 Curva de temperatura programada de reação (TPR) 35 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Carta de Pareto dos efeitos estimados das variáveis independentes C ETN (g/ml), TC ( o C) e t X ( o C/min), em relação a espessura do filme ω (µm) Carta de Pareto dos efeitos estimados das variáveis independentes C ETN (g/ml), TC ( o C) e t X ( o C/min), em relação a resistividade do filme ρ (Ω/ ) Carta de Pareto dos efeitos estimados das variáveis independentes C ETN (g/ml), TC ( o C) e t X ( o C/min), em relação a resistividade do filme θ (%) Figura 6 Caracterização em MEV da espessura do filme 1.25 µm da Amostra A1(B) 41 Figura 7 Caracterização em MEV da espessura do filme 2.40 µm da Amostra A2(B) 42 Figura 8 Caracterização em MEV da espessura do filme 1.37 µm da Amostra A3(B) 42 Figura 9 Caracterização em MEV da espessura do filme 2.84 µm da Amostra A4(B) 43 Figura 10 Difratograma da Amostra A4 identificando a fase cassiterita (SnO 2 ) 44 Figura 11 Difratograma (a), (b), (c) e (d) das amostras A1, A2, A3 e A4, respectivamente 45 Figura 12 Textura uniforme do filme SnO 2 depositado nas condições da Amostra A4 46 Figura 13 Textura uniforme do filme SnO 2 depositado nas condições da Amostra A2 46 Figura 14 Ponto de arrancamento do filme de SnO 2 e fissuras na Amostra A4 47 Figura 15 Pontos de eclosão de bolhas de ar micrométricas na Amostra A4 47 Figura 16 Micro-bolhas e micro-fissuras na Amostra A4 48 Figura 17 Morfologia e tamanho de partícula do filme calcinado na Amostra A4 48 Figura 18 Porosidade na textura do filme, devido ao retardo de tempo na remoção da tela de silk-screen 49 Figura 19 Detalhes da bancada com o processo de deposição por silk-screen 58 Figura 20 Bancada de preparação de precursor e testes 59 Figura 21 Balança de precisão para pesagem de reagentes 59 Figura 22 Forno bipartido com controle programável de temperatura 60 Figura 23 Caixas refratárias de acondicionamento das amostras (processo de calcinação) 60 Figura 24 Arranjo experimental para o método duas pontas 63
11 Figura 25 Figura 26 Amostras A1, A2, A3 e A4 preparadas para medição de resistividade de superfície Diagrama representando a luz incidindo no filme fino e sofrendo várias reflexões internas Figura 27 Curva de transmitância de um filme transparente 64 Figura 28 Figura 29 Dispositivo montado para medir a transmitância relativa das amostras (fonte de luz Xenon de 400 W, Luxímetro) Espessura de amostra reproduzida para as melhores condições obtidas no projeto fatorial 2 (3-1).(MEV) Figura 30 Difração de Raio-X da amostra de menor espessura 69
12 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Principais tipos de vidros e suas aplicações 18 Tabela 2 Projeto do experimento utilizando o software Statistic v.7 37 Tabela 3 Níveis de valores das variáveis independentes constantes na Tabela 5 37 Tabela 4 Parâmetros MESH da tela (M) e tempo de calcinação (t) 37 Tabela 5 Resultados do planejamento fatorial 2 (3-1) 38 Tabela 6 Influência das variáveis investigadas sobre a espessura do filme ω ANOVA 66 Tabela 7 Efeitos estimados das variáveis investigadas sobre espessura do filme (ω) 66 Tabela 8 Tabela 9 Tabela 10 Tabela 11 Influência das variáveis investigadas sobre a resistividade de superfície do filme (ρ) ANOVA Efeitos estimados das variáveis investigadas sobre a resistividade de superfície do filme (ρ). Influência das variáveis investigadas sobre a transmitância do filme (θ) ANOVA Efeitos estimados das variáveis investigadas sobre a transmitância do filme (θ)
13 SÍMBOLOS SnO 2 Óxido de Estanho TCO Transparent Conducting Oxide mm 3 Milímetro ao cubo µm Micrômetro g/cm 3 Gramas por centímetro cúbico Kgf/cm 2 Quilograma força por centímetro quadrado cm Centímetros mm Milímetros Kg Quilogramas o C o C/min CETN Tc tx (ω) (Ρ) (θ) TPR XRD MEV Graus Celsius Graus Celsius por minutos Concentração da solução precursora Temperatura de calcinação Taxa de aquecimento Espessura do filme Resistividade de superfície Transmitância relativa Temperatura Programada de Reação Difração de Raios-X Microscopia Eletrônica de Varredura
14 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVO GERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS ESCOPO DA DISSERTAÇÃO 17 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA SUBSTRATOS DE VIDROS DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE DEPOSIÇÃO SILK-SCREEN Matrizes Aplicação da emulsão na tela A impressão do filme fino PROPRIEDADES DE FILMES CTO EM SUBSTRATO DE VIDRO PRINCIPAIS PARÂMETROS DE CARACTERÍSTICAS DOS FILMES TCO PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL FATORIAL Planejamento Fatorial Planejamento Fatorial 2 (k-p) em 2 níveis Adição de ponto central ao fatorial 2 (k-p) Planejamento de superfície de resposta 28 3 ESTADO DA ARTE BREVE RESUMO CRONOLÓGICO DE ARTIGOS DE REFERÊNCIA MAIS RELEVANTES SOBRE SnO2.(TCO) 3.2 BREVE RESUMO CRONOLÓGICO DE ARTIGOS DE REFERÊNCIA MAIS RELEVANTES SOBRE DECOMPOSIÇÃO POR SILK-SCREEN DE FILMES FINOS METODOLOGIA, MATERIAIS E MÉTODOS PREPARAÇÃO E LIMPEZA DOS SUBSTRATOS PREPARAÇÃO DOS PRECURSORES SnCl 2.2H 2 O+etanol Obtenção dos precursores SnCl 2.2H 2 O+etanol Deposição do filme por silk-screen Calcinação das amostras Caracterização das amostras ENSAIOS PRELIMINARES PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL 37
15 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 38 6 CONCLUSÕES 50 REFERÊNCIAS 52 APÊNDICE 57
16 14 1 INTRODUÇÃO O primeiro relatório a cerca de um TCO (Transparente Conducting Oxide) foi publicado em 1907, quando BADEKER relatou que um filme fino de metal como o cádmio depositado por uma descarga plasma, poderia tornar-se transparente ao ser oxidado, mantendo-se eletricamente condutor. Desde então, o valor comercial destes filmes tem tomado relevância e importância crescente. A lista desse tipo de óxido tem expandido à medida que vão sendo estudados outros TCO como: ZnO dopado com Al; GdlnO (não estequiométrico); In2O3 dopado com F; SnO 2 dopado com F ou Sb. (SOUZA et al., 2006). Segundo Sanches (2003), a expressão filmes finos é aplicada aos revestimentos, coberturas (coatings) que possuem espessuras muito finas da ordem do comprimento de onda da luz, entre 400 e 800 ηm. Os filmes finos devem exibir uma boa performance em termos de condutividade, transparência, transmitância e deve apresentar também uma boa estabilidade química/física ter boa reprodutibilidade e boa morfologia superficial. Para Souza et.al. (2006), o óxido transparente mais importante tem sido o ITO (Indium Tin Oxide) Oxido de índio dopado com estanho. Entretanto, devido ao baixo custo os vidros TCO com filme finos de SnO2 tem sido bastante pesquisados, sendo um dos mais promissores para uso em células solares devido a sua pequena resistividade elétrica e alta transmissão óptica, sendo quimicamente inerte, mecanicamente duro e resistente a altas temperaturas, o que facilita então a calcinação das amostras entre 500º C a 550º C. Ainda segundo esse autor, os vidros TCO abrangem aplicações para janelas de vidro funcional, no controle térmico automotivo, em áreas e janelas de habitação ate estruturas ativadas eletronicamente, tais como janelas eletrocrômicas (EC). Em janelas de eficiência de calor o TCO é usado como filtro que reflete a radiação na região do infravermelho mantendose transparente na gama do visível, em climas frios as janelas revestidas com TCO podem ser usadas para refletir o infravermelho novamente para o interior da residência, enquanto em climas quentes, esta aproximação pode ser feita de modo inverso. Foi mostrado que este vidro de baixa emissividade é muito eficiente do ponto de vista de perdas calóricas e mais rentável do que a opção de vidro duplo. Diversos trabalhos anteriores obtiveram filmes TCOs com SnO 2, utilizando diversas técnicas de deposição, a partir de diferentes precursores preparados com cloretos de estanho, como: (SnCl 4 ), (SnCl 2 ) e (SnCl 2.2H 2 O).
17 15 Aplicações de maior valor, tal como na aérea espacial, as janelas revestidas a ITO oferecem melhores performances no controle térmico e podem ter funções adicionais como filmes finos resistivos com elementos de aquecimento para desembaciar e descongelar, como também funciona como revestimento anti-estático e anti-brilho/reflexo. (SOUZA et.al., 2006) Atualmente existe um grande interesse no crescimento e uso dos filmes finos aplicados na geração de energia solar, refletindo um grande avanço na aplicação dos substratos de vidros com camadas de filmes finos, para células solares. Thangaraju (2002) acrescenta que o óxido de estanho (SnO 2 ) foi o primeiro condutor transparente a receber comercialização significante, no meio de óxidos de diferentes transparências condutivas. O SnO 2 dopado com fluorine ou antimônio aparenta ser o mais apropriado para uso em células solares, devido a sua pequena resistividade elétrica e alta transmissão ótica. O SnO 2 tem sido utilizado em grande número de aplicações tecnológicas, mas especialmente em catalisadores, equipamentos eletro-ópticos, células fotovoltaicas, etc. A maioria destas aplicações é dada em cerâmicas porosas (sensores) e filmes finos. De acordo com Cássia-Santos (2001), as propriedades sensoras do SnO 2 não depende de fatores como estequiometria da superfície e metodologia de preparação do pó, temperatura e atmosfera de calcinação, mas também e, principalmente, em áreas especificas advindas da baixa densificação deste oxido, supõem-se que a baixa densificação deste oxido haja predominância de mecanismo não densificantes, como evaporação-condensação. Tais mecanismos são responsáveis somente pelo crescimento de grãos e formação de pescoço entre as partículas durante a sinterização e não promovem a densificação. Assim vários estudos foram conduzidos com o objetivo de se obter cerâmicas policristalinas densas a base de SnO 2 para uma serie de aplicações. O SnO 2 é particularmente interessante em aplicações como sensor devido aos seus elevados valores de área superficial (mesmo após sinterização), o que permite uma elevada sensibilidade à adsorção de gases, os quais podem ser obtidos em temperaturas de operações relativamente baixas. Foi proposta a adição de dopantes ao SnO 2 com a finalidade de aumentar a concentração de defeitos intrínsecos aos dióxido de estanho, como vacâncias de oxigênio, provocando um aumento no coeficiente de difusão dos íons, promovendo assim, a sinterização antes que a pressão de vapor seja elevada. (CASSIA-SANTOS, 2001).
18 16 Os vidros de borosilicato são importantes e podem conter alumínio além do boro. Esses materiais apresentam um baixo coeficiente de expansão e podem resistir a grandes variações de temperatura sem quebrar. Estes vidros são muitos utilizados em atividades cientificas pelas suas características, permitindo facilmente a modelagem e apresentando alta transparência, e portanto são bastantes utilizados como substrato para deposição de filmes finos para diversas finalidades. A tecnologia de screen-printing, mais conhecida como silk-screen é um processo simples e pode ser praticado em qualquer laboratório, tem sido empregado com grande sucesso na fabricação de eletrodos nesta última década, o que desperta a possibilidade do emprego na produção de vidro TCO para aplicação em células solares policristalinas de baixo custo. O processo silk-screen tem a vantagem de fazer a deposição do filme de uma só vez, ou seja, em uma única camada de aplicação, podendo abranger uma área relativamente grande de maneira bastante uniforme, o que por outras técnicas requer uma deposição em várias etapas ou um considerável tempo de exposição, onerando o processo. O presente trabalho tem a finalidade de investigar a partir de estudos anteriores e através de resultados experimentais, obtidos com a relação de uma metodologia de processo silk-screen, adequada para a deposição de filmes (TCO) de SnO 2 em substrato de vidro borosilicato. Espera-se com este trabalho contribuir para obtenção de filmes (TCO) de SnO 2 com características compatíveis com a aplicação em células solares policristalinas de baixo custo. 1.1 OBJETIVO GERAL Dentro de tal perspectiva, tem-se como objetivo geral obter e caracterizar filmes de óxido de estanho (SnO 2 ) empregando o processo de deposição por silk-screen de baixo custo. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS A fim de atingir a meta proposta, firmaram-se como objetivos específicos
19 17 Construir uma bancada com campânula de isolamento para instalação do processo de silk-screen. Identificar uma mesh de tela compatível com a espessura desejada do filme. Identificar um processo adequado de limpeza para substrato de vidro Identificar uma caixa de acondicionamento do substrato (Para colocação das lâminas de vidro) adequada para a calcinação do filme. Estabelecer um planejamento experimental para investigar a influencia da concentração da solução precursora, temperatura de calcinação e da taxa de aquecimento. Montar uma bancada para medição da transmitância relativa nas amostras de vidro TCO obtidas. Caracterizar as propriedades dos filmes finos depositados (resistividade, transmitância, espessura do filme TCO). 1.3 ESCOPO DA DISSERTAÇÃO Espera-se com este trabalho contribuir para obtenção de filmes (TCO) de SnO 2 com características compatíveis com a aplicação em células solares policristalinas de baixo custo. Em um primeiro instante, sob a perspectiva teórica, faz-se uma revisão da literatura, contemplando-se fundamentos e conceitos relevantes para compreensão do texto. O capítulo três apresenta uma síntese dos principais trabalhos que abordam a temática do deste estudo. No quarto capítulo são estabelecidos os materiais e a metodologia experimental utilizada para obter os resultados conclusivos da presente investigação. No capítulo cinco são discutidos os resultados obtidos, os quais respaldam as conclusões e sugestões constantes do capítulo seis, pleiteando-se contribuir para novas e complementares pesquisas.
20 18 2 REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 SUBSTRATO DE VIDRO Os vidros de boro silicato são importantes e podem conter alumínio alem do boro, estes materiais apresentam um baixo coeficiente de expansão e podem resistir a grandes variações de temperatura sem quebrar eles contém uma maior quantidade de álcali e são menos suscetíveis à ataques por agentes químicos, estes vidros são muitos usados na manufatura de equipamentos de laboratório, bem como utensílios de vidro tipo pyrex. (PELLEGRINI, 2005). Tabela 1 Principais tipos de vidros e suas aplicações. TIPO COMPOSIÇÃO (PESO %) CARACTERÍSTICA TIPO SiO 2 Na 2O CaO Ai 2O 3 B 2O 3 ATHO JANELAS Durabilidade RECIPIENTES % MGO Resistência química BULBOS DE LAMPADAS % MGO Manuseio FIBRAS % MGO Viscosidade PIREX OPTICOS % K 2O - Alto índice de refração. Prot.U.V Alto índice de refração. Prot.U.V 2.2 DESCRIÇÃO DO PROCESSO DE DEPOSIÇÃO SILK-SCREEN O Processo de silk-screen ou serigrafia é [...] um processo de impressão no qual a tinta ou a pasta precursora é vazada pela pressão de um rodo ou puxador através de uma tela preparada. A tela, normalmente de seda, nylon ou poliéster, é esticada em um bastidor de madeira, alumínio ou aço. A gravação da tela se da pelo processo de fotosensibilidade, onde a matriz preparada com uma emulsão fotossensível é colocada sobre um fotolito, sendo este conjunto matriz/fotolito colocados por sua vez sobre uma mesa de luz. Os pontos escuros do fotolito que correspondem aos locais que ficarão vazados na tela, permitindo a passagem da pasta precursora pela trama do tecido, e os pontos claros (onde a luz passará) pelo fotolito atingindo a emulsão são impermeabilizados pelo endurecimento da emulsão fotossensível que foi exposta a luz. É utilizada na impressão em variados tipos de materiais (papel, plástico, borracha, madeira, vidro, tecido, etc.), superfícies (cilíndricas, esférica, irregular, clara, escura, opaca, brilhante, etc.), (espessuras ou tamanhos, com diversos tipos de tintas ou cores. Também pode ser feita de forma mecânica (por pessoas) ou automática (por maquinas). (WIKIPÉDIA, Verbete: Serigrafia)
21 Matrizes Na serigrafia a confecção de matrizes tem grande importância, pois é através dela que se obtêm os resultados de qualidade da impressão. A matriz é composta pelos seguintes elementos: quadro ou moldura, cordel de algodão ou grampos e a malha (nylon ou monyl). QUADROS Chamamos de quadro a armação que ira sustentar a malha esticada. O quadro pode ser de madeira, ferro ou alumínio. O mais usual, por ser mais barato e mais simples é o de madeira, muito embora a moldura de ferro ou alumínio ofereça maior estabilidade ao trabalho. MALHAS (MESH) As malhas mais comumente encontradas no mercado são o nylon e o monyl (poliéster). Em geral as malhas devem possuir as seguintes características: textura regular; elevada resistência aos esforços mecânicos; resistência a uma serie de produtos químicos, pois será exposta a solventes; As malhas são caracterizadas por diferentes números, isto é, fios por cm linear. O numero de fios das malhas mais comuns varia de 15 a 180 fios. Quando menor o numero, mais aberta será a trama da malha, permitindo maior passagem de tinta. Quanto mais detalhado o desenho, menor devera ser a passagem de tinta (para tal, um numero maior da malha). Comumente o numero do nylon varia de 15 a 120, e o monyl (poliéster) de 21 a 180. As malhas devem ser desengorduradas com água e sabão ou detergente neutro, mantendo-as umedecidas antes da esticagem. A forma mais correta é esticá-la ligeiramente e com um pano molhado, umedecê-la, principalmente nas matrizes de grandes dimensões. Deve ser umedecida por igual em toda sua extensão, evitando zonas de diferentes esticagens.
22 20 A esticagem pode ser feita através de grampos, com grampeadores especiais (grampeador automático) ou através de um cordel de algodão Aplicação da emulsão na tela Para uma matriz de boa qualidade é indispensável uma aplicação uniforme da emulsão (qualquer uma delas). A camada mais Grossa dever estar sempre do lado externo da matriz. Esta operação dever ser feita em local escuro ou sob luz de segurança (vermelha para a aplicação, o tecido deve estar perfeitamente seco. A melhor forma de aplicar a emulsão é mediante uma espátula de emulsionar, podendo-se também utilizar uma régua bem lisa. A emulsão deverá ser colocada na calha da espátula de emulsionar ou na base da régua, que estará apoiada na borda inferior da tela e encostada na malha, formando um ângulo de 45º com esta. Derrama-se então um pouco da emulsão na malha e, com um único movimento de baixo para cima, aplica-se a emulsão. Após isto a secagem da emulsão deve ser feita em um ambiente livre de poeira, com ausência de luz ou sob luz de segurança e se possível fechado a uma temperatura máxima de 30 ºC. A secagem pode ser feita mediante circulação de ar através de um ventilador. Após 20 minutos, aproximadamente, levar o substrato ao forno para calcinação (fixação e aderência à lâmina do vidro), através da temperatura programada A impressão do filme fino É executada pela ação do rodo sobre a matriz. A inclinação, pressão, fio da borracha e velocidade determinarão a qualidade da impressão. Inclinação do rodo: Deve ser feita 45º, isto é, em relação ao plano da matriz o rodo dever ter uma inclinação de 45º. Pressão: A pressão que o rodo deverá exercer sobre a malha devera ser o suficiente para fazer com que a malha toque no material a ser impresso apenas no local onde o fio do rodo tange o
23 21 material. Uma pressão excessiva provoca distorção da imagem e tende a borrá-la. Uma subpressão, provoca uma descarga irregular de tinta e tende a deixar a impressão falhada. Fio de borracha: O corte do fio da borracha pode causar diferentes efeitos na impressão. O corte arredondado provoca maior descarga de tinta e pouca definição. Corte em canto vivo, proporciona ótima descarga de tinta e boa definição. Corte em ângulo proporciona menor descarga de tinta e maior definição. Velocidade: Deve ser constante. Menor velocidade ocasiona maior descarga de tinta e menor definição. Muita velocidade ocasiona pouca descarga de tinta e há tendência a falhas. O ideal para impressões em geral é uma velocidade média. Um fator importante é que o material deve estar bem preso, o que é fácil se conseguir com um tampo à vácuo ou através de um processo mais rudimentar que é a cola permanente. A impressão dever ser feita sempre no mesmo sentido (ida parte superior para a inferior da matriz). Cobertura: Chama-se cobertura a forma de manter-se as malhas cobertas de tinta depois de ter sido feita a impressão. A cobertura é usada principalmente para evitar o entupimento (ressecamento da tela) e ao mesmo tempo garante um deposito correto da tinta, principalmente em malhas mais fechadas. Secagem: Depois de impresso, o material deve ser submetido a um tempo de secagem, de aproximadamente 20 minutos. Essa secagem pode ser feita ao ar livre, sem secadores. 2.3 PROPRIEDADES DE FILMES TCO EM SUBSTRATOS DE VIDRO Os TCOs são uma parte essencial das tecnologias que requerem bom contacto elétrico e transparência óptica no espectro do visível em superfícies de tamanho considerável. Elevada transparência aliada a uma boa condutividade (< 10-3 Ω -1.cm -1 ) conseguida pela seleção de um óxido com grande hiato energético, i.e, um semicondutor degenerado através da introdução de dopantes substitucionais. A maioria dos materiais tipo óxidos são condutores tipo-n que idealmente tem um elevado hiato energético ( > 3 ev ) e uma banda de condução que com determinado formato que
24 22 assegura o limite de absorção de plasma ao nível do infravermelho. Outros tipos de TCOs estão também disponíveis para aplicações específicas, em que a facilidade de deposição, custo ou refletância infravermelha é favorecida em detrimento de característica como ótima transmissão ótica e mínima resistência de folha. Por exemplo, janelas de maior eficiência em termos de perdas calóricas, que refletem na gama do infravermelho, são produzidas por deposição de SnO 2 através da técnica do spray pirólise (baseado em cloreto de estanho SnCl). Neste caso concreto a condutividade elétrica é sacrificada em beneficio de uma boa reflectividade, boa transparência na gama do visível e baixo custo inerente ao processo de spray pirólise. (SHAMALA; MURTHY; RAO, 2004). Para as aplicações de optoeletrônica, o condutor transparente tem de ser cuidadosamente processado de forma a maximizar a transmitância da gama do visível aliada a uma mínima resistividade elétrica. A otimização destas propriedades, depende da aplicação, mas em geral o alcançar dos requisitos pretendidos para dispositivo estão dependentes do cuidadoso controle do seu processamento. A deposição de ITO num ambiente fabril é geralmente efetuada pelo processo de pulverização catódica (dc-magnertron sputtering). A escolha do alvo metálico ou cerâmico para este processo depende da qualidade de filme pretendido e tipo de equipamento de deposição disponível. As variações ajustáveis neste tipo de processamento incluem pressão parcial de oxigênio, pressão total do gás, pressão parcial residual de vapor de água, temperatura do substrato e alvo, potencia do pulverizador e também composição e configuração do alvo. Os objetivos são: A minimização de características micro-estruturais e impurezas que conduzem à baixa mobilidade dos elétrons. A maximização de Sn substitucional ativado. A criação ótima de oxigênio subestequiométrico. A estequiometria do oxigênio é critica para a minimização da resistividade, já que cada falta de oxigênio duplamente carregado contribui com dois eletros livres. Na forma cristalina do oxido de índio, a presença de buracos duplamente carregados da origem a uma banda de impurezas que se sobrepõe à banda de condução formando um semicondutor degenerado.
25 23 Contudo, um excesso de dopante (defeitos de carga na rede) leva a que haja difusão das impurezas e um decréscimo da mobilidade dos electrões. O espectro de transparência do ITO abrange desde a parte final da gama U.V até parte final da gama IV, isto em termos de freqüência de absorção plasma. Quanto ao óxido degenerado, um aumento da densidade de portadores conduz a um alargamento do hiato das transparências (devido ao efeito de Burstein-Moss). A transparência final dos IV é definida pela freqüência de absorção plasma, a qual depende também da densidade de portadores da massa efetiva dos mesmos. Neste sistema, a estrutura de bandas degeneradas induz um limite de absorção plasma no regime do comprimento de onda dos infravermelhos. As propriedades de transporte do ITO são altamente dependentes das condições do processo de deposição e pós-deposição. Por exemplo, condições oxidantes ou redutoras irão modificar a concentração de lacunas deixadas pelo oxigênio e conseqüentemente a densidade de portadores. Baixas temperaturas do substrato e baixas pressões parciais do oxigênio durante o processo de deposição por pulverização (ou CVD) tem como repercussão final a obtenção de material amorfo. Notavelmente o oxido de índio amorfo cristaliza rapidamente a baixa temperaturas ( 150 ºC) (T/Tƒ< 0,20{S2}), com uma mudança radical na estrutura eletrônica. Uma ilustração exemplificativa da mudança nas propriedades de transporte resultante do tratamento de aniquilamento do ITO amorfo depositado por feixe de electrões. À medida que o material é aquecido a uma temperatura de 135ºC, ocorre um decréscimo da sua resistividade neste patamar de temperatura. Verifica-se que no intervalo de decréscimo da temperatura, o comportamento da resistividade com a temperatura muda em relação a tendência durante o patamar de 135 ºC. (SOUZA et.al., 2006). De fato, quando o material é primeiramente amorfo, comporta-se como um semicondutor com um coeficiente de resistência negativa com a temperatura (NTC). Depois da transformação completada, o material se comporta como um semi-condutor degenerado e a resistência do material tem um coeficiente positivo com a temperatura (PTC). No ITO de condutividade otimizada, obtida por sputtering (dc magnetron), onde a curta distancia (rede atômica) favorece os portadores baseados em defeitos induzidos pelo oxigênio e um estado amorfo fruto da deposição.