Este trabalho apresenta um estudo sobre a obtenção de filmes de TiO2 cristalinos e com propriedades fotoinduzidas, utilizando tecnologias de plasma, sobre substratos de aço carbono AISI 1015. É bem conhecido que a nitretação a plasma contribui para aumentar a adesão de filmes e a resistência à corrosão de substratos metálicos. No entanto, os estudos sobre propriedades fotocatalíticas do TiO2 sobre substratos de aço não investigam o uso de aço carbono nitretado. O principal objetivo deste trabalho é investigar a deposição de filmes de TiO2 fotocatalíticos sobre aço carbono nitretado a plasma, obtido através de um tratamento duplex que envolve a nitretação a plasma e a subsequente deposição por pulverização catódica (sputtering). Para tanto, o processo de pesquisa foi dividido em duas partes: (i) determinação de condições de deposição apropriadas para a obtenção de filmes cristalinos de TiO2 semicondutor, utilizando as técnicas de deposição a plasma conhecidas por magnetron sputtering convencional (MS) e triodo magnetron sputtering (TMS). (ii) Estudo dos processos fotoinduzidos dos filmes cristalinos de TiO2 semicondutor sobre amostras de aço carbono AISI 1015 nitretadas e não nitretadas a plasma. Na primeira etapa os filmes foram depositados em vidro para determinação da composição química por espectrometria de retroespalhamento de Rutherford (RBS) e da energia de band gap ótico (Tauc plot). As amostras foram caracterizadas por difração de Raios X (DRX), perfilometria, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM). A fotoatividade dos filmes foi avaliada através do efeito de hidrofilicidade fotoinduzida por meio do monitoramento da molhabilidade das superfícies e do efeito de fotocatálise heterogênea por meio da degradação do corante azul de metileno (AM). Os filmes de TiO2 cristalinos obtidos sobre vidro foram depositados pelas técnicas de sputtering reativo (MS e TMS) com alvo em modo óxido e apresentaram predominantemente a fase anatase A(101) com energias de band gap em torno de 3,4 eV. Sobre os substratos de aço, foram realizadas deposições por TMS com alvo em modo óxido, pressão de 7,1 mTorr (10,6 sccm O2 / 3,2 sccm Ar), potência de 475 W e temperatura do substrato em 290 C durante 120 minutos. Em substratos de aço não nitretados, somente a fase anatase A(101) é obtida. Os pré-tratamentos de nitretação a plasma (80%N2/20%H2 e 20%N2/80%H2, 2,0 Torr, 5,0 horas, 350 C) aumentam a rugosidade do substrato e exercem um papel importante no crescimento do filme de TiO2, favorecendo o crescimento da fase rutile. A modificação da rugosidade da superfície do substrato pelo pré-tratamento de nitretação a plasma afeta a molhabilidade dos filmes não fotoativados de TiO2. Todos os filmes cristalinos de TiO2 depositados sobre o aço tornam-se superhidrofílicos sob a irradiação ultravioleta e permanecem neste estado por pelo menos 24 horas. O filme de TiO2 depositado sobre o substrato de aço não nitretado apresenta um desempenho fotocatalítico ligeiramente superior aos filmes de TiO2 depositados sobre os substratos de aço pré-nitretados a plasma.

O dióxido de titânio é um material usado em uma grande variedade de aplicações comuns e de alta tecnologia. Tem sido intensamente investigado por suas excelentes propriedades ópticas, elétricas e químicas, que o tornam apropriado para aplicações como células solares fotoquímicas, sensores de gases, filtros de interferência dielétricas, etc. Neste trabalho é proposta a investigação das melhores condições para deposição de filmes finos cristalinos de TiO2, preparado em baixas temperaturas (<150C) por magnetron sputtering reativo sobre substratos de silício tipo p. Para isso, o efeito da variação dos parâmetros de deposição como distância entre alvo e substrato, pressão total dos gases, concentração de oxigênio na mistura Ar+O2 e polarização do substrato, nas características dos filmes depositados foram estudadas e correlacionadas. É bem conhecido que altas temperaturas de processo favorecem a cristalização do filme. Todavia, temperaturas elevadas de deposição podem induzir a degradação das camadas estruturais promovendo reações interfaciais, interdifusão e outros defeitos na formação dos filmes. Estes problemas são as razões principais para se explicar o baixo desempenho ou até mesmo falha em alguns dispositivos fabricados. Neste trabalho foi demonstrado que é possível a obtenção de filmes cristalinos crescidos por processos de sputtering em baixa temperatura, mediante o uso parâmetros de deposição específicos. Isto é muito importante quando filmes cristalinos devem ser crescidos sobre substratos sensíveis a temperatura. A influência do aquecimento do substrato, pela descarga de plasma, na cristalização dos filmes finos de TiO2 depositados em substratos não aquecidos de silício, foi estudada para diversos valores de distância entre alvo e substrato e concentração de oxigênio na mistura de gases. Os resultados mostram que a temperatura superficial do substrato durante o processo de deposição é mais alta que a temperatura de substrato medida convencionalmente. A diferença pode alcançar 75C para deposições usando oxigênio puro. A espessura, estrutura e morfologia superficial dos filmes foram analisadas utilizando-se perfilometria, difração de raios x (XRD) e microscopia de força atômica (AFM), respectivamente. Resultados de XRD revelam que quando depositado sem aquecimento o filme de TiO2 tende a ser amorfo ou na forma anatasio para as condições normais de operação do magnetron (pressão=0,7 Pa, potência de 150W), dependendo da distância entre alvo e substrato. Observou-se que a fase rutílio somente foi obtida em pressões reduzidas (<0,5 Pa) ou sob polarização do substrato. Além disso, as medidas de AFM apontam para a formação de filmes com superfícies bastante rugosas, quando o substrato foi polarizado com voltagens entre -50 V e -200 V, este é um fato interessante quando se deseja a aplicação deste material como emissor de campo elétrico. Conclui-se que um controle rigoroso dos parâmetros de deposição e o uso da técnica de espectrometria de massas promovem um método eficiente para otimização dos compostos gerados na descarga e consequentemente condições estáveis de deposição para o crescimento de filmes finos cristalinos de TiO2 em baixas temperaturas de deposição.

Nesse trabalho é reportado o crescimento de filmes finos de dióxido de titânio (TiO2) por duas técnicas assistidas a plasma chamadas magnetron sputtering convencional (MSC) e magnetron sputtering catodo oco (MSCO). O dióxido de titânio foi crescido sobre substratos de silício, variando alguns parâmetros de plasma como, por exemplo, a distância axial (z0) e a concentração de oxigênio na mistura Ar+O2. As amostras foram caracterizadas por perfilometria, microscopia de força atômica (MFA) e difração de raios-X (DRX). Não obstante, foi realizado diagnóstico das descargas através de métodos como características elétricas corrente-tensão (I×V), sonda simples de Langmuir e espectroscopia de emissão ótica (EEO). Os resultados dessas técnicas foram comparados com os parâmetros provenientes da caracterização dos filmes depositados, de modo a conhecer a interação plasma-superfície. Como uma forma de complementação das análises, foi realizada a comparação de parâmetros como razão de deposição (Rd) com o parâmetro geométrico PCI (probabilidade de coleção de íons). Os resultados mostraram que todos os filmes produzidos são cristalinos, cujas estruturas são altamente dependentes do sistema de deposição, i.e., da energia e da reatividade da descarga.