JBCS

INTRODUÇÃO

Um filme fino é uma camada de um determinado material com espessura nanométrica depositada sobre um substrato. O objetivo do filme fino é a obtenção de propriedades que não podem ser alcançadas pelo seu material precursor na sua forma particulada. Uma das principais características dos filmes finos é a alteração das suas propriedades físico-químicas conforme a variação da espessura.¹ Nas últimas décadas, os avanços nos processos de deposição permitiram a aplicação de filmes finos em revestimentos ópticos, semicondutores, dispositivos emissores de luz, células solares e sensores.^2-6

Dentre os métodos de deposição de filmes finos, o spin coating é rápido e eficiente, permitindo a obtenção de filmes com alta uniformidade.⁷ Nessa técnica, uma solução contendo um material de interesse é depositada sobre uma superfície em rotação. No processo, a tensão superficial do líquido associada a força centrípeta possibilita a cobertura uniforme do substrato com filmes que variam de alguns nanômetros até alguns micrômetros de espessura.⁸ Esta técnica é amplamente aplicada para a deposição de diferentes materiais a partir de soluções, ou suspensões, contendo polímeros, nanopartículas e biomateriais. Além disso, é uma alternativa promissora para a fabricação de células fotovoltaicas de filme fino baseadas em materiais poliméricos.⁹

O processo de deposição por spin coating pode ser dividido em quatro etapas: deposição, spin up, spin off e evaporação (Figura 1). Inicialmente, o material é depositado sobre o substrato (i) e em seguida é iniciada a rotação (ii). A solução precursora também pode ser depositada sobre o substrato já em rotação. Após um tempo determinado a rotação é finalizada (iii). A distribuição da solução sobre a superfície é decorrente da ação da força centrípeta. O solvente espalha uniformemente o material sobre o substrato e em seguida evapora (iv). Os principais parâmetros que influenciam na espessura do filme são: o volume depositado da solução (ou suspensão), a sua viscosidade e a velocidade de rotação do equipamento durante a deposição. Com relação à velocidade, há uma relação direta, onde, quanto maior a velocidade de rotação, menor será a espessura do filme.^10,11

Figura 1. Representação da técnica de spin coating¹⁰

Um spin coater pode ser adquirido comercialmente por preços que iniciam em US$ 2 mil e quinhentos e podem passar dos US$ 11 mil dependendo dos seus recursos e grau de sofisticação. O alto custo pode dificultar a aquisição do equipamento e impossibilitar o uso da técnica de spin coating por laboratórios com orçamentos reduzidos. Desta forma, a construção de um spin coater a partir de materiais de baixo custo, ou ainda, de lixo eletrônico, pode ser uma excelente alternativa tanto para laboratórios de pesquisa, quanto laboratórios de ensino.¹²

Os principais componentes de um spin coater são o motor e o seu sistema de controle. O motor pode ser obtido a custo zero em um disco rígido inutilizado, pois os motores empregados nesses dispositivos apresentam alta velocidade de rotação e boa estabilidade. Além disso, essa classe de motores pode ser interfaceada com um microcontrolador Arduino utilizando um controlador eletrônico de velocidade (electronic speed controler - ESC), comumente utilizado por entusiastas de aeromodelismo. O ambiente de desenvolvimento do Arduino é baseado em hardware e software de código aberto, é acessível e de baixo custo, sendo ideal para aplicações que envolvem o uso de sensores e sistemas de controle que não necessitam de muitos recursos de processamento. O ambiente de programação utiliza uma linguagem baseada em C/C++, e possui várias bibliotecas que permitem o interfaceamento do Arduino com outros hardwares, permitindo o desenvolvimento de aplicações simples ou complexas em qualquer área.¹³

A construção de spin coater já foi abordada por outros autores,^7,12,14-18 dentre os quais destaca-se o de Bianchi e colaboradores,¹⁹ onde é apresentada a metodologia para a construção de um spin coater com sistema de fixação a vácuo, o qual serviu como base para a elaboração do equipamento apresentado neste artigo. O diferencial do nosso equipamento encontra-se nos componentes utilizados e no sistema de controle, bem como na estrutura compacta modelada e impressa em 3D. Assim, o objetivo deste artigo é apresentar os materiais e os métodos utilizados na construção de um spin coater de baixo custo para deposição de filmes finos. Com isso, espera-se que os procedimentos possam ser utilizados como um guia para a construção desse equipamento em laboratórios de pesquisa e ensino que desejam produzir filmes finos para construção ou análise de materiais e dispositivos, sem a necessidade de aquisição de um equipamento oneroso.

PARTE EXPERIMENTAL

Para a construção do equipamento foram utilizados: um motor do tipo brushless retirado de um disco rígido defeituoso; uma placa Arduino Nano V3 (microcontrolador ATmega328); um módulo sensor de efeito Hall (modelo 3144E); um liquid crystal display (LCD) (16 × 2 azul); um módulo adaptador I2C para LCD; um controlador de velocidade (ESC 30A Brushless com BEC Interno 2 A/5 V); quatro chaves tácteis (6 × 6 × 5) mm de 4 terminais; uma Protoboard de 170 Pontos; jumpers do tipo macho/fêmea; conector Jack P4 (J4 2,1 mm DC); buzzer 5 V; fonte de alimentação (DC 12 V 2,5 A); adaptador rosca 1/2 latão; mangueira de vácuo em silicone (diâmetro interno 4 mm); anel de borracha para vedação (14 mm). A Tabela 1S lista os componentes adquiridos comercialmente para a construção do spin coater, desconsiderando o custo do frete. Alguns dos componentes listados podem ser reaproveitados de outros eletrônicos, como a fonte, resistores e o buzzer, reduzindo o custo total do equipamento.

O diagrama de blocos da Figura 2 apresenta uma visão geral da disposição dos principais componentes do sistema. A energia é disponibilizada ao equipamento por meio da fonte alimentação de 12 V que é diretamente conectada ao ESC, o qual alimenta o motor brushless em uma conexão trifásica. Os demais componentes são alimentados com uma tensão de 5 V disponibilizada pelo conversor de tensão interno presente no ESC.

Figura 2. Diagrama de blocos do equipamento

Todas as conexões de alimentação e sinal analógico/digital necessárias para a escrita e leitura dos dados no display, sensores, botões e buzzer são apresentadas no diagrama elétrico do equipamento na Figura 1S. A conexão do display com o microcontrolador se dá por meio de um módulo conversor com protocolo I2C, o qual utiliza apenas dois fios (SDA e SCL) para a comunicação. Entretanto, o display poderia ser conectado diretamente ao Arduino, neste caso, seria necessário o uso de um número maior de condutores e portas de comunicação. Os botões de navegação foram conectados ao microcontrolador seguindo a configuração pull up, utilizando resistores de 4,7 kΩ (1/4 W). O sensor de efeito Hall utilizado para medir a rotação possui saída digital e analógica, para o projeto em questão, utilizou-se da saída digital.

O acionamento do motor é realizado através de um sinal do tipo PWM gerado pelo Arduino e enviado para o ESC, com pulsos que variam de 1000 a 2000 µs, sendo o pulso de 2000 µs o sinal onde o motor atinge sua máxima rotação. A leitura da velocidade é realizada através da contagem do número de vezes que um ímã passa pelo sensor magnético em determinado intervalo de tempo. Para isso, um ímã de neodímio (1 × 4 × 4) mm foi aderido à superfície inferior do disco rotativo, de modo que o campo magnético acione o sensor ao se aproximar, enviando um sinal digital "1" (Ligado - próximo do ímã) ou "0" (Desligado - afastado do ímã) ao microcontrolador.

Além do controle preciso da rotação, é essencial que durante a operação do equipamento o substrato permaneça preso no rotor para evitar possíveis acidentes durante o processo de deposição. Desta forma, para garantir a fixação do substrato, foi desenvolvido um mecanismo que emprega vácuo. Para isso, o eixo do motor foi perfurado com uma furadeira de bancada utilizando uma broca de aço de 2 mm de diâmetro. Então, foi inserido um terminal na parte inferior do motor, que possibilita a conexão de uma bomba de vácuo externa por meio de uma mangueira de silicone. Assim, quando a bomba é ligada, o substrato será pressionado sobre o rotor devido à diferença de pressão entre as suas superfícies. A bomba deve permanecer ligada durante todo o processo, e deve ser desativada após a interrupção da rotação. Para evitar que a solução remanescente da deposição fosse espalhada pelo equipamento e bancada de trabalho, um recipiente plástico cilíndrico foi posicionado sobre o disco rotativo e sua parte inferior foi perfurada com uma serra copo para criar uma abertura para a deposição da solução sobre o substrato. O recipiente também atua como barreira de proteção no caso de mau funcionamento do sistema de fixação do substrato. A Figura 3 apresenta um modelo 3D elaborado no software Fusion 360 (Autodesk), ilustrando o sistema de fixação descrito e a posição do ímã e do sensor de rotação.

Figura 3. Vista detalhada do rotor, sensor de rotação e sistema de fixação a vácuo

A programação do spin coater foi desenvolvida em linguagem C++ no software de código aberto do Arduino (IDE), utilizando scripts integrados na biblioteca do programa para os sensores e controladores propostos. As funções programadas permitem a atuação simultânea do Arduino como tacômetro, cronômetro e controlador do motor. A Figura 4 apresenta o fluxograma de operação do equipamento, o qual resume a lógica utilizada no código para estabelecer o sistema de controle do motor.

Figura 4. Fluxograma de operação do equipamento

No fluxo de operação, após a inicialização do equipamento, é solicitado que o usuário pressione os botões de navegação para selecionar a velocidade e o tempo de rotação desejados, os quais variam respectivamente de 2000 a 8000 rpm e 15 a 120 s, com incrementos de 500 rpm e 15 s. Estes intervalos podem ser alterados no código de programação conforme a necessidade do usuário. Após a inserção dos dados, o sistema percorrerá um vetor contendo o sinal associado a velocidade de rotação selecionada (Tabela 2S). Esses parâmetros foram obtidos empiricamente, sendo estimativas que permitem a redução do tempo de acomodação do sistema. Em seguida, o sensor de efeito Hall é utilizado para determinar a velocidade de rotação real do equipamento e calcular o erro da velocidade lida em relação à velocidade desejada, ajustando o sinal quando necessário, visando um erro relativo menor que 1%. Após a estabilização da velocidade de rotação, o sinal é mantido constante e o código emite um sinal sonoro no buzzer e aguarda o usuário pressionar um botão para iniciar a contagem regressiva, o qual deve ser acionado após a deposição da solução precursora do filme. O processo será finalizado quando a contagem regressiva atingir t = 0 s, ou o botão de cancelamento for pressionado. Durante todo o processo a velocidade de rotação medida é apresentada no display do equipamento, assim como a contagem regressiva, logo após a estabilização e acionamento do temporizador.

O gabinete do spin coater (Figura 2S) foi projetado no software Fusion 360 (Autodesk). O projeto possui as perfurações para os cabos e espaço interno suficiente para acomodar todos os componentes eletrônicos, com exceção da fonte de alimentação e da bomba a vácuo, os quais são externos. A peça modelada foi impressa em uma impressora 3D (modelo Ender 3 V2), utilizando filamento do tipo PLA branco (1,75 mm de diâmetro).

A validação e a calibração do sistema de controle do motor foram realizadas através da leitura da velocidade de rotação, utilizando um tacômetro digital comercial modelo DT-2234C⁺ com precisão de ± 0,05%. O tempo de acomodação do sistema, a velocidade de rotação lida pelo sensor de efeito Hall, o fluxo do código e o erro para cada iteração foram monitorados através do monitor serial do Arduino, que permite a impressão de dados na tela do computador via conexão USB. Os dados coletados foram importados e analisados no software OriginLab^®.

A simulação da operação do spin coater e avaliação do seu desempenho foram conduzidas a partir da deposição de filmes de TiO₂ sobre eletrodos de vidro com ITO (óxido de estanho e índio) de dimensões (20 × 20 × 2) mm. A suspensão precursora foi preparada com base na metodologia proposta por Johnsen e colaboradores,²⁰ os quais utilizam uma suspensão de TiO₂ nanoparticulado em ácido acético, empregando detergente neutro como agente surfactante. Assim, foi utilizado 150 mg de TiO₂ nanoparticulado (Degussa P25), 3 mL de ácido acético glacial (99,8%, Neon), 0,05 mL de detergente neutro e a homogeneização da suspensão foi obtida após 15 min no ultrassom. Para garantir a aderência e a uniformidade do filme, os substratos foram lavados no ultrassom com acetona e etanol por 10 min. Posteriormente, os substratos foram fixados sobre o eixo rotativo com vácuo e a rotação foi iniciada. Quando a velocidade desejada foi atingida, foram depositados 0,05 mL da suspensão sobre o substrato, o qual permaneceu em rotação durante 30 s para a evaporação do solvente. Em seguida os substratos foram posicionados sobre uma chapa de aquecimento para o tratamento térmico do filme a uma temperatura de 350 °C por 30 min. O mesmo procedimento foi aplicado para todos os filmes obtidos. Por fim, a transmitância dos filmes foi analisada em um espectrofotômetro UV-visível da marca Even com faixa de leitura de 190 a 1100 nm. O equipamento foi utilizado com o intuito de verificar a variação da transmitância dos filmes em função da velocidade de rotação durante a deposição. As velocidades de deposição avaliadas foram de 2000 a 8000 rpm, com incrementos de 1000 rpm, totalizando 7 deposições.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O equipamento desenvolvido neste trabalho pode ser visualizado na Figura 5(a), onde se destaca o seu design compacto, o qual é simples e eficiente, otimizando o espaço necessário para sua operação em uma bancada. O recipiente plástico transparente ao redor do disco rotativo atua como barreira de segurança e evita o respingo da solução durante o processo de deposição dos filmes. Além disso, na Figura 5(b), destaca-se a posição do terminal para realização da conexão do spin coater com a bomba de vácuo.

Figura 5. (a) Vista frontal e (b) Vista lateral do spin coater construído

A velocidade de rotação desejada em relação à velocidade de rotação real, medida com o sensor de efeito Hall e com o tacômetro comercial, podem ser observadas na Figura 6(a). No gráfico, é possível perceber que os pontos estão sobrepostos, evidenciando a boa precisão da leitura realizada pelo sensor implementado no equipamento. Além disso, os pontos podem ser aproximados por uma linha de 45º em relação ao eixo horizontal, ou seja, a velocidade real é muito próxima da velocidade desejada. O erro percentual da velocidade desejada em relação à velocidade medida é apresentado na Figura 6(b). No gráfico é possível perceber que, independente da velocidade desejada, o erro associado a velocidade atingida/medida é sempre menor que 1%, o que era esperado, tendo em vista que o sistema de controle visa atingir um erro inferior a 1%. De modo geral, considerando uma aproximação linear do erro em função da velocidade desejada, o erro fica em torno de 0,7%, apresentando uma leve tendência de redução com o aumento da velocidade de rotação.

Figura 6. (a) Velocidade desejada vs velocidade medida; (b) Erro percentual da velocidade desejada em relação à velocidade real

A velocidade de rotação e sua variação no tempo durante o acionamento do motor para diferentes velocidades alvo pode ser visualizada na Figura 7(a). No gráfico, percebe-se que a resposta da velocidade de rotação ao acionamento do motor não apresenta sobressinal e possui um tempo de subida que varia de 15 a 20 s. Após isso, o sistema de controle realiza um ajuste fino até que o erro seja tolerável, aumentando o tempo de ativação e estabilização da velocidade do motor, o qual pode chegar a até 153,7 s, conforme pode ser visualizado na Tabela 1. Cabe mencionar que nesta etapa o substrato já está posicionado sobre o rotor, de modo que a variação de sua massa pode influenciar no tempo de estabilização do equipamento. Entretanto, apesar da variação no tempo, a velocidade de rotação final em relação a desejada apresenta erro menor que 1%. Assim, como a deposição deve ser realizada após a estabilização da rotação, as discrepâncias no tempo de acomodação não influenciam na deposição, uma vez que a velocidade é mantida constante após a deposição da suspensão/solução precursora. No equipamento proposto não é possível controlar a aceleração, ou definir uma rampa de velocidades. De modo que apenas a técnica de deposição no substrato já em rotação pode ser utilizada.

Figura 7. (a) Variação da velocidade de rotação no tempo; (b) Transmitância dos filmes depositados em substratos de vidro em diferentes velocidades de rotação

A Figura 7(b) apresenta a transmitância dos filmes obtidos com o equipamento desenvolvido em diferentes velocidades de rotação. No gráfico, em um primeiro momento, é possível constatar que a transmitância do substrato sem deposição é maior que a daqueles que possuem o filme de TiO₂. Posteriormente, ao observar os substratos contendo os filmes, percebe-se que a transmitância sofre um aumento proporcional a velocidade de rotação. Esse aumento era esperado, tendo como base o fenômeno físico que rege o processo de formação do filme, onde a espessura é inversamente proporcional a velocidade de rotação, ou ainda, quanto maior a velocidade de rotação, menor será a sua espessura. Dessa forma, a espessura pode ser relacionada com a transmitância, pois quanto menor a espessura do material depositado, maior será a quantidade de luz que consegue atravessar o filme.

A construção do equipamento e a realização dos testes a partir da deposição de filmes de TiO₂ indicaram que a utilização do motor de disco rígido é promissora e eficiente. Ao passo em que o motor é de fácil controle, e por se tratar de um motor do tipo brushless (sem escovas) com eixo fixo, permitiu a implementação do sistema de fixação à vácuo. Além disso, este tipo de motor apresenta vida útil muito longa, alta estabilidade e permite um controle preciso da rotação. Entretanto, por se tratar de um motor trifásico, para o seu acionamento, há a necessidade de utilização do controlador de velocidade ESC associado a um gerador de sinal PWM. A utilização dessa configuração permite que o motor atinja altas velocidades de rotação, sendo que para o equipamento proposto, foi possível atingir 8500 rpm. Segundo o fabricante do disco rígido, a velocidade nominal de operação do motor utilizado é de 5400 rpm. Assim, a utilização do ESC permite uma maior versatilidade, elevando o intervalo de trabalho do motor.

CONCLUSÃO

Neste artigo foram apresentados os procedimentos aplicados no desenvolvimento de um spin coater para deposição de filmes finos baseado em materiais de baixo custo e grande facilidade de obtenção. O motor utilizado apresentou boa estabilidade e facilidade de controle, de modo que as velocidades de rotação mensuradas apresentaram um erro relativo à velocidade desejada inferior a 1%.

A implementação do sistema de controle com o uso de estimativas para o sinal inicial de ativação do motor, associadas a correção utilizando o sensor de efeito Hall, se demostrou eficiente, pois, o motor apresentou um tempo de subida relativamente pequeno, sem a presença de sobressinais. Além disso, as leituras da velocidade de rotação obtidas com o sensor magnético foram muito semelhantes às medidas realizadas pelo tacômetro comercial, validando a precisão do sensor de rotação desenvolvido. A análise da transmitância dos filmes depositados permitiu a verificação da operação do equipamento, pois, o aumento da velocidade de rotação ocasionou um aumento na transmitância dos filmes, o qual está associado com a redução de suas espessuras.

Cabe mencionar que a estrutura do equipamento poderia ser construída utilizando uma caixa plástica, madeira ou outro material de fácil aquisição. Entretanto, a modelagem e impressão em 3D da estrutura do spin coater resultou em um corpo compacto e resistente, onde a inserção dos suportes e perfurações durante a etapa de modelagem do sólido facilitou o processo de montagem. O sistema de fixação do substrato utilizando vácuo é eficiente e seguro, além de permitir a utilização de substratos de tamanhos variados. Porém, é essencial que a bomba seja ativada antes do início da rotação do motor e desativada após a sua finalização.

Por fim, conclui-se que o objetivo proposto para este trabalho foi cumprido com êxito, ao passo em que foi obtido um spin coater funcional com boa precisão e fixação do substrato a vácuo, com um custo inferior a R$ 215,00 (Tabela 1S). Esse custo é muito baixo quando comparado ao custo de um equipamento disponível comercialmente.

As Figuras 1S e 2S e as Tabelas 1S e 2S citadas neste trabalho estão disponíveis em http://quimicanova.sbq.org.br, na forma de arquivo PDF, com acesso livre. Além disso, também é disponibilizado o link para download do arquivo contendo o modelo 3D da estrutura do equipamento e o código de programação.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq, a Universidade Federal de Santa Catarina e ao Laboratório de Materiais Avançados pelo suporte e espaço concedidos para a realização deste trabalho.

REFERÊNCIAS

1. Kumar, S.; Aswal, D. K. In Recent Advances in Thin Films; Kumar, S.; Aswal, D. K., eds.; Springer Singapore: Singapore, 2020.

2. Rancourt, J. D.; Optical Thin Films: User Handbook; SPIE Press: Bellingham, 1996.

3. Sancakoglu, O. In 21^st Century Surface Science: a Handbook; Phan, P., ed.; IntechOpen: London, 2020.

4. Zang, C.; Xu, M.; Zhang, L.; Liu, S.; Xie, W.; J. Mater. Chem. C 2021, 9, 1484. [Crossref]

5. Lee, T. D.; Ebong, A. U.; Renewable Sustainable Energy Rev. 2017, 70, 1286. [Crossref]

6. Kimura, M.; J. Soc. Inf. Disp. 2019, 27, 741. [Crossref]

7. Pratama, I.; Mindara, J. Y.; Maulana, D. W.; Panatarani, C.; Joni, I. M.; AIP Conf. Proc. 2016, 1712, 030005-1. [Crossref]

8. Chaudhary, K. T. In Thin Films; Ares, A. E., ed.; IntechOpen: London, 2021.

9. Mustafa, H. A. M.; Jameel, D. A.; Journal of Applied Science and Technology Trends 2021, 2, 91. [Crossref]

10. Yilbas, B. S.; Al-Sharafi, A.; Ali, H.; Self-Cleaning of Surfaces and Water Droplet Mobility; Elsevier: Amsterdam, 2019, ch. 3.

11. Falsetti, P. H. E.; Soares, F. C.; Rodrigues, G. N.; del Duque, D. M. S.; de Oliveira, W. R.; Gianelli, B. F.; de Mendonça, V. R.; Mater. Today Commun. 2021, 27, 102214. [Crossref]

12. Blaskievicz, S. F.; Soares, L. L.; Mascaro, L. H.; Quim. Nova 2021, 44, 1880. [Crossref]

13. de Souza, A. R.; Paixão, A. C.; Dias, M. A.; Duarte, S.; de Amorim, H. S.; Rev. Bras. Ensino Fis. 2011, 33, 1702-1. [Crossref]

14. Sadegh-Cheri, M.; J. Chem. Educ. 2019, 96, 1268. [Crossref]

15. Zafer, G.; Mürsel, A.; Cengiz, A.; Hacıismailoğlu, M. C.; International Journal of Electronics and Device Physics 2021, 5, 1. [Crossref]

16. Teixeira, E. S.; Cavalcanti, R. C.; Nunes, V. F.; Maia Júnior, P. H. F.; Lima, F. M.; Pinho, D. C.; de Souza Filho, M. S. M.; Almeida, A. F. L.; Freire, F. N. A.; Materials Research 2021, 23, 1. [Crossref]

17. Kaddachi, Z.; Belhi, M.; Karoui, M. B.; Gharbi, R.; 17^th International Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering (STA), Sousse, Tunisia, 2016. [Crossref]

18. Hossain, M. F.; Paul, S.; Raihan, M. A.; Khan, M. A. G.; 2014 International Conference on Electrical Engineering and Information and Communication Technology, Dhaka, Bangladesh, 2014. [Crossref]

19. Bianchi, R. F.; Panssiera, M. F.; Lima, J. P. H.; Yagura, L.; Andrade, A. M.; Faria, R. M.; Prog. Org. Coat. 2006, 57, 33. [Crossref]

20. Johnsen, J.; Chasteen, S.; Exploratorium Teacher Institute, 2006. [Link] acessado em 23/01/2023