UNIVERSIDADE DE SO PAULO USP
FFCLRP DEPARTAMENTO DE FSICA E MATEMTICA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM FSICA APLICADA
MEDICINA E BIOLOGIA
Ligas magnticas NiFe e NiFeCo eletrodepositadas, voltadas para aplicaes em micro-sensores magnticos tipo fluxgate
planar
Thais Cavalheri dos Santos
RIBEIRO PRETO SP 2007
Dissertao apresentada Faculdade de Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto da USP, como parte das exigncias para a obteno do ttulo de Mestre em Cincias. rea: Fsica Aplicada Medicina e Biologia.
UNIVERSIDADE DE SO PAULO USP
FFCLRP DEPARTAMENTO DE FSICA E MATEMTICA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM FSICA APLICADA
MEDICINA E BIOLOGIA
Ligas magnticas NiFe e NiFeCo eletrodepositadas, voltadas para aplicaes em micro-sensores magnticos tipo fluxgate
planar
Thais Cavalheri dos Santos
Orientador: Prof. Dr. Marcelo Mulato
RIBEIRO PRETO SP 2007
Dissertao apresentada Faculdade de Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto da USP, como parte das exigncias para a obteno do ttulo de Mestre em Cincias. rea: Fsica Aplicada Medicina e Biologia.
Words, words, words Shakespeare
Dedico este trabalho minha me e minha av,
que continuam a olhar por mim e ao meu marido
Ton, sempre presente.
Agradecimentos
Primeiramente a Deus, por todo cuidado e dedicao para com a minha vida.
A minha irm Llian e meus sobrinhos Thiago e Maria Luiza pela pacincia nos momentos
de stress.
Ao meu primo e irmo J por ter me socorrido em todos os momentos difceis e pelas
infinitas risadas.
Aos meus pais postios Tia T e Tio Waltinho por todo amor e pacincia em ouvir minhas
histrias e me ajudar com meus problemas.
Aos meus verdadeiros amigos do laboratrio: Jlio, Glucio, Ademar, Z Fernando, Naty e
Mudim.
As minhas amigas de ontem, hoje e sempre: Raquel, Manoella, Gabriela, Nicole, Flvia e
Fernanda.
A Midori pelas medidas de magnetizao e pela amizade principalmente.
Ao professor e amigo Marcelo Mulato, pela sua compreenso nos momentos difceis em
que passei na minha vida durante o mestrado.
Ao ex-tcnico Luciano pelas medidas de EDS e MEV.
Aos tcnicos Aziani, Carlo, lcio e Marclio pela ajuda no desenvolvimento experimental
da minha pesquisa.
Ao CNPq pelo apoio financeiro.
Resumo
O presente trabalho trata da obteno de ligas de NiFe de NiFeCo sob a forma de filmes finos e tambm no seu uso na tentativa em se construir um sensor magntico tipo fluxgate planar. A tcnica de produo utilizada foi a eletrodeposio com regime galvanosttico. A soluo eletroltica utilizada era constituda por sais de nquel e ferro e alguns aditivos. Para depositar os filmes de NiFe, o eletrodo auxiliar era constitudo de nquel; enquanto que para depositar os filmes de NiFeCo, o eletrodo auxiliar era constitudo de cobalto. Os filmes foram depositados em substratos de cobre utilizando densidades de corrente no intervalo de 4 at 28 mA/cm2, com tempos totais de 40 e 60 minutos.
A caracterizao morfolgica foi realizada utilizando Microscopia Eletrnica de Varredura superficial e de seo lateral e para encontrarmos a composio dos elementos presentes na amostra, realizamos a Espectroscopia de Energia Dispersiva e Difrao de Raios-X. Quanto caracterizao magntica foi utilizado o Magnetmetro de Amostra Vibrante e tambm magnetometria utilizando o Superconducting Quantum Interference Devices (este foi utilizado somente para os filmes de NiFeCo) como o elemento detector do equipamento.
Os filmes de NiFe crescem com orientaes cristalinas ao longo dos planos (110) e (200); as quantidades de nquel e ferro atingem valores constantes a partir da densidade de corrente de 15 mA/cm2 (embora sempre haja mais nquel que ferro); o ponto de menor coercividade magntica (58,4 A/m) tambm ocorre a partir dessa densidade de corrente, onde filmes com 1 m de espessura so conseguidos para um tempo total de 40 minutos. Nota-se uma assimetria para os campos aplicados perpendicular e paralelamente superfcie do filme. Os filmes de NiFeCo crescem com orientaes ao longo dos planos (111) e (200). Embora sempre haja mais nquel (constante em 70%), as concentraes de Fe e Co se igualam apenas para uma densidade de corrente prxima de 15mA/cm2. Abaixo desse valor h mais ferro, e acima mais Co. A partir dessa densidade de corrente, novamente observa-se um mnimo no valor da coercividade magntica do material (81 A/m). A partir dessa densidade de corrente, tal grandeza teve seu valor mantido praticamente constante. Para essa densidade de corrente filmes de 6 m de espessura so obtidos para um tempo de 40 minutos. Uma menor assimetria magntica observada comparada com o caso anterior. Por esses dados, acreditamos que o filmes de NiFeCo seja um melhor candidato para a confeco do sensor planar tipo fluxgate, e testes iniciais de sua fabricao tambm so apresentados.
Abstract
This work presents the results about the fabrication and characterization of thin films of NiFe and NiFeCo alloys. The attempts to construct the planar fluxgate are also presented. Galvanostatic electrodeposition using an electrolytic solution containing Ni and Fe was used: NiSO4 (0,7 mol/l); NiCl2 (0,02 mol/l); FeSO4 (0,03 mol/l); H3BO3 (0,4 mol/l) and C7H5O3NS.2H2O (0,016 mol/l). The auxiliary electrode was made on Ni for the NiFe films, while another one made on Co was used for the NiFeCo films. Films were deposited on copper substrates using current densities form 4 up to 28 mA/cm2, and total deposition time of 40 and 60 minutes. Structural characterization was performed using Scanning Electron Microscopy (surface and cross-section); Energy Dispersive Spectroscopy, and X-ray Diffraction. Magnetic characterization was performed using two methods: the Vibrating Sample Magnetometry and magnetometry using a SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) sensor. NiFe films grow with crystalline planes oriented along the (110) e (200) directions; the amount of each material reach constant values for current densities above 15 mA/cm2 (even though there is always more Ni). The point of minimum magnetic coercivity (58,4 A/m) also occurs for this current density, where films 1 m-thick are obtained for a total deposition time of 40 minutes. An asymmetry is observed for magnetic fields applied parallel and perpendicular to the surface of the films. NiFeCo films grow with crystalline planes oriented along the (111) and (200) directions; the amount of Ni remains constant (about 70%) for the whole current density range. The amount of Fe decreases with increasing current density, while the amout of Co shows the opposite behavior. They have equal values for current densities of about 15mA/cm2, where the minimum coercivity of 81A/m is achieved. For higher current densities the coercivity remains constant. For the current density of 15mA/cm2, 6 m-thick films are obtained for a total deposition time of 40 minutes. The magnetic asymmetry is smaller than for the case of the NiFe films. According to the obtained data, we believe that NiFeCo is a better candidate for the fabrication of planar magnetic fluxgate sensors. Initial tests for the fabrication of a prototype are also presented.
ndice ndice de Figuras ................................................................................................... I
ndice de Tabelas ................................................................................................. VII
Captulo 1 Introduo 1.1 Importncia de se medir campos magnticos ........................................... 1
1.1.1 Em todas as reas .............................................................................. 5
1.1.2 Em fsica mdica ................................................................................ 6
1.2 Tipos de medidores e faixas de medidas analisando custo-benefcio ...... 8
1.2.1. - Bobina de induo ....................................................................... 9
1.2.1.1 Antena em anel com ncleo de ar ............................................. 11
1.2.1.2 Antena em haste ........................................................................ 12
1.2.2 - Efeito Hall .................................................................................... 12
1.2.3 Magnetoresistor ........................................................................... 13
1.2.4 SQUID ......................................................................................... 14
1.2.5 Fluxgate ....................................................................................... 15
1.3 Fluxgate macro e micro-sensor planar .................................................... 19
1.4 - Algumas tcnicas de deposio para ligas metlicas ferromagnticas que constituem
o ncleo do sensor............................................................................ 19
Captulo 2 - Eletrodeposio e Tcnicas de Caracterizao 2.1 Processo de eletrodeposio ...................................................................... 24
2.2 Materiais .................................................................................................... 31
2.2.1 Soluo eletroltica ...................................................................... 32
2.2.2 Eletrodo de trabalho .................................................................... 33
2.2.3 Eletrodo auxiliar ......................................................................... 34
2.3 Tcnicas de Caracterizao ...................................................................... 35
2.3.1 Difrao de Raio X .................................................................... 36
2.3.2 Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV)............................. 38
2.3.3 Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS)............................. 40
2.3.4 Medidas de Magnetometria ......................................................... 41
2.3.4.1 Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) ....... 44
2.3.4.2 Magnetmetro de Amostra Vibrante (MAV) ........................... 44
Captulo 3 - Resultados e Discusses Ligas de NiFe 3.1 Caracterizao do Processo ....................................................................... 47
3.2 Caracterizao estrutural .......................................................................... 50
3.2.1 MEV superficial ........................................................................... 50
3.2.2 Espectroscopia de Energia Dispersiva ........................................ 52
3.2.3 RaiosX ........................................................................................ 55
3.3 Caracterizao Magntica ......................................................................... 60
3.3.1 Caracterizao magntica com o campo aplicado em paralelo .. 61
3.3.2 - Caracterizao magntica com o campo aplicado em perpendicular 63
Captulo 4 - Resultados e Discusses Ligas de NiFeCo 4.1 Caracterizao do Processo ...................................................................... 69
4.1.1 Massa do filme em funo da densidade de corrente .................. 69
4.1.2 Massa do filme em funo do tempo ........................................... 70
4.1.3 Taxa de deposio de massa em funo da densidade de corrente 71
4.1.4 Espessura do filme em funo densidade de corrente ................. 72
4.2 Caracterizao estrutural .......................................................................... 75
4.2.1 Microscopia Eletrnica de Varredura superficial ...................... 75
4.2.2 Microscopia Eletrnica de Varredura lateral ............................. 78
4.2.3 Espectroscopia de Energia Dispersiva ........................................ 83
4.2.4 Raios X ...................................................................................... 85
4.3 Caracterizao Magntica ......................................................................... 93
4.3.1 MSQUID ...................................................................................... 93
4.3.1.1 Caracterizao magntica com o campo aplicado em paralelo 93
4.3.1.2 - Caracterizao magntica com o campo aplicado em perpendicular 95
4.3.2 Magnetmetro de Amostra Vibrante ........................................... 99
4.3.2.1 Caracterizao magntica com o campo aplicado em paralelo 99
4.3.2.2 Caracterizao magntica com campo aplicado em perpendicular 102
Captulo 5 - Comparao entre a liga NiFe e NiFeCo 5.1 Caracterizao do processo ....................................................................... 108
5.2 - Caracterizao estrutural ........................................................................... 109
5.2.1 Microscopia Eletrnica de Varredura superficial ....................... 109
5.2.2 Microscopia Eletrnica de Varredura lateral ............................. 110
5.2.3 Espectroscopia de Energia Dispersiva ........................................ 110
5.2.4 Difrao de Raios X ................................................................. 111
5.3 - Caracterizao Magntica .......................................................................... 111
Captulo 6 - Micro-sensor planar 6.1 Construo do micro-sensor planar .......................................................... 113
6.2 Simulao da quantidade de espiras em uma bobina .............................. 115
6.3 Fabricao do sensor macroscpico ......................................................... 117
6.4 Montagem eletrnica do sensor ............................................................... 120
Captulo 7 Concluses 7.1 Caracterizao do processo ....................................................................... 123
7.2 - Caracterizao estrutural ........................................................................... 123
7.2.1 - MEV superficial ............................................................................ 123
7.2.2 - MEV lateral ................................................................................. 124
7.2.3 Espectroscopia de Energia Dispersiva ....................................... 124
7.2.4 - Raios X ...................................................................................... 124
7.3 - Caracterizao Magntica ......................................................................... 125
7.4 Consideraes finais .................................................................................. 125
Captulo 8 Referncias .............................................................. 126
ndice de Figuras Figura 1.1: Curva de histerese de um filme de NiFeCo depositado com uma densidade de corrente de 4 mA/cm2 com o campo externo aplicado em paralelo amostra. Os eixos y e x correspondem respectivamente normalizao da magnetizao pela magnetizao de saturao e intensidade do campo externo aplicado Figura 1.2: Grfico dos campos magnticos emitidos em funo da freqncia [22] Figura 1.3: Grfico de comparao entre as faixas de medidas dos vrios tipos de sensores magnticos Figura 1.4: A bobina de induo consiste em um solenide, podendo ou no possuir um ncleo ferromagntico. a) antena em anel com ncleo de ar; b) antena solenoidal com ncleo ferromagntico Figura 1.5: Uma voltagem V d origem a uma corrente I na direo positiva de x. A resitncia hmica V / I. Um campo magntico na direo positiva z deflete os portadores de carga positiva na direo negativa de y. Isto gera um potencial de Hall (VH) e uma resitncia de Hall (VH / I ) na direo de y Figura 1.6: Esquema ilustrativo de um sensor magnetoresistivo. a) Sem aplicao de campo magntico externo, o material apresenta resistncia R1. b) Aplicando um campo magntico externo, o material passa a ter uma resistncia R2 menor que R1 Figura 1.7: a) configurao Schonstedt e b) configurao ring core Figura 1.8: O campo de excitao de um fluxgate condiciona alternadamente o ncleo saturao positiva e negativa, chaveando a permeabilidade do ncleo entre um e um grande valor duas vezes a cada ciclo. A figura acima ilustrativa da variao do fluxo magntico, da permeabilidade e do sinal de tenso no sensor em funo do campo de excitao
Figura 1.9: Uma corrente alternada i(t) passando pela bobina primria gera um campo H(t) que realiza todo ciclo de histerese. Quando o ncleo saturado duas vezes durante um perodo na curva de magnetizao, (t) deve ser uma funo peridica com freqncia duas vezes maior que a do sinal de excitao i(t). No havendo campo externo aplicado ao dispositivo, a simetria do sensor faz com que nenhum sinal aparea nos terminais da bobina de deteco Figura 1.10: Esquema ilustrativo do sensor fluxgate tipo planar Figura 1.11: Esquema de uma evaporadora por feixe de eltrons [56] Figura 1.12: Esquema de um sputtering DC [56] Figura 1.13: Esquema de uma clula eletroltica Figura 2.1: Esquema de uma clula eletroltica Figura 2.2: Fotos ilustrativas do circuito utilizado para a eletrodeposio e a soluo eletroltica respectivamente Figura 2.3: Raios-X produzidos em nveis atmicos [79] Figura 2.4: Representao esquemtica dos componentes do MEV Figura 2.5: Exemplo de espectro de energia de amostra de NiFe depositada com uma densidade de corrente de 4 mA/cm2 por um tempo de 40 minutos Figura 2.6: Variao da magnetizao de material magntico com o campo magntico externo aplicado. (a) Regio de deslocamentos reversveis dos domnios magnticos; (b) Regio dos deslocamentos irreversveis dos domnios magnticos; (c) Regio de saturao do material (rotaes dos domnios) Figura 2.7: Estrutura dos domnios magnticos numa barra de material ferromagntico, submetida a um campo magntico externo. (a) Regio de deslocamentos reversveis dos domnios magnticos; (b) Regio dos deslocamentos irreversveis dos domnios magnticos; (c) Regio de saturao do material Figura 2.8: Curva de histerese de um material magntico Figura 2.9: Esquema ilustrativo de um MAV [85] Figura 2.10: Arranjos de bobinas de deteco usadas no MAV Figura 3.1: Densidade de massa do filme de NiFe em funo da densidade de corrente Figura 3.2: Taxa de deposio do filme de NiFe em funo da densidade de corrente
Figura 3.3: Espessura calculada pelo Mtodo Gravimtrico em funo da densidade de corrente Figura 3.4: Taxa de crescimento da espessura em funo da densidade de corrente Figura 3.5 : MEV superficial para os filmes de NiFe Figura 3.6: Quantidade de elementos em porcentagem presentes nos filmes de NiFe em funo da densidade de corrente Figura 3.7: Quantidade de elementos em porcentagem presentes nos filmes de NiFe em funo do tempo de deposio para uma densidade de corrente de 14 mA/cm2
Figura 3.8: Difrao de raios-X para o substrato de eletrodo de cobre e difrao de raios-X para todas as densidades de correntes, nos mostrando intensidade do pico em funo do ngulo de difrao Figura 3.9: Grfico das difraes de raios-X para todas as densidades de corrente Figura 3.10: Grfico da rea integrada do pico (111) referente ao substrato Figura 3.11: Grfico da rea integrada do pico (110) referente ao filme de NiFe Figura 3.12: Razo da rea integrada do pico (110) referente ao filme de NiFe e da rea integrada do pico (111) referente ao substrato de cobre Figura 3.13: Grfico da rea integrada do pico (200) referente ao substrato Figura 3.14: Grfico da rea integradado pico (200) referente ao filme de NiFe Figura 3.15: Razo da rea integrada do pico (200) referente ao filme de NiFe e da rea integrada do pico (200) referente ao substrato de cobre Figura 3.16: Grfico do tamanho do gro em funo da densidade de corrente Figura 3.17: Grficos da magnetizao normalizada em funo do campo magntico aplicado pelo MAV paralelamente s amostras Figura 3.18: Grficos da magnetizao normalizada em funo do campo magntico aplicado pelo MAV perpendicularmente s amostras Figura 3.19: Grfico da coercividade magntica de todos os filmes em funo da densidade de corrente, comparando as medidas com campo aplicado em paralelo e perpendicularmente
Figura 3.20: Magnetizao de saturao em funo da densidade de corrente para o campo aplicado em paralelo e em perpendicular em relao ao filme utilizando o MAV Figura 4.1: Grfico da densidade de massa do filme de NiFeCo em funo da densidade de corrente de deposio para filmes depositados por 40 minutos comparados com filmes depositados por 60 minutos Figura 4.2: Grfico da densidade de massa do filme de NiFeCo em funo do tempo de deposio em minutos para duas diferentes densidades de corrente Figura 4.3: Taxa de deposio de massa do filme da liga ternria NiFeCo em funo da densidade de corrente para os filmes depositados por a) 40 minutos e b) 60 minutos Figura 4.4: Espessura calculada do filme de NiFeCo em funo da densidade de corrente para filmes depositados por 40 minutos Figura 4.5: Taxa de crescimento da espessura do filme em funo da densidade de corrente para filmes depositados por 40 minutos Figura 4.6: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 4 mA/cm2
Figura 4.7: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 8 mA/cm2
Figura 4.8: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 12 mA/cm2
Figura 4.9: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 14 mA/cm2
Figura 4.10: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 16 mA/cm2
Figura 4.11: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 20 mA/cm2
Figura 4.12: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 24 mA/cm2
Figura 4.13: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 28 mA/cm2
Figura 4.14: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 4mA/cm2
Figura 4.15: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 8 mA/cm2
Figura 4.16: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 12 mA/cm2
Figura 4.17: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 14 mA/cm2
Figura 4.18: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 16 mA/cm2
Figura 4.19: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 20 mA/cm2
Figura 4.20: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 24 mA/cm2
Figura 4.21: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 28 mA/cm2
Figura 4.22: Esquema ilustrativo do substrato mais filme tencionado por expanso Figura 4.23: Grfico comparativo da espessura dos filmes em funo da densidade de corrente Figura 4.24: Grfico da porcentagem de Ni, Fe e Co em funo da densidade de corrente que depositamos o filme Figura 4.25: Grficos da intensidade em funo do ngulo de espalhamento para as oito diferentes densidades de corrente Figura 4.26: Grfico da intensidade em funo do ngulo de espalhamento dos picos para as diferentes densidades de corrente, iniciando para densidade de corrente de 4 mA/cm2 at a densidade de 28 mA/cm2 (de baixo para cima). O S representa os picos do substrato de cobre e (111) e (200) representam os planos de crescimento preferenciais dos picos referentes liga metlica Figura 4.27: Intensidade dos picos relacionados com o filme de NiFeCo em funo da densidade de corrente Figura 4.28: rea integrada do pico (111) referente ao substrato Figura 4.29: rea integrada do pico (111) referente ao filme Figura 4.30: Razo da rea integrada do pico (111) referente ao filme de NiFeCo e da rea integrada do pico (111) referente ao substrato de cobre
Figura 4.31: Razo da rea integrada do pico (200) referente ao filme de NiFeCo e da rea integrada do pico (200) referente ao substrato de cobre Figura 4.32: Grfico do tamanho do gro cristalino em funo da densidade de corrente Figura 4.33: Grficos da magnetizao normalizada em funo do campo magntico aplicado pelo MSQUID paralelamente superfcie da amostra Figura 4.34: Grficos da magnetizao normalizada em funo do campo magntico aplicado pelo MSQUID perpendicularmente superfcie das amostras Figura 4.35: Grfico da coercividade magntica de todos os filmes em funo da densidade de corrente, comparando as medidas com o campo aplicado em paralelo e perpendicularmente para o MSQUID Figura 4.36: Magnetizao de saturao em funo da densidade de corrente para o campo aplicado em paralelo e em perpendicular em relao ao filme utilizando o MQUID Figura 4.37: Grficos da magnetizao normalizada em funo do campo magntico aplicado pelo MAV paralelamente superfcie das amostras Figura 4.38: Grficos da magnetizao normalizada em funo do campo magntico aplicado pelo MAV prependicularmente superfcie das amostras Figura 4.39: Grfico da coercividade magntica de todos os filmes em funo da densidade de corrente, comparando as medidas com o campo aplicado em paralelo e perpendicularmente para o MAV Figura 4.40: Magnetizao de saturao em funo da densidade de corrente para o campo aplicado em paralelo e em perpendicular em relao ao filme utilizando o MAV Figura 4.41: Grfico da coercividade magntica de todos os filmes em funo da densidade de corrente, comparando as medidas com campo aplicado em paralelo e perpendicularmente para MAV e MSQUID Figura 5.1: Razo entre taxa de deposio de massa de NiFeCo pela de NiFe em funo da densidade de corrente Figura 5.2: Razo entre taxa de espessura de NiFeCo pela de NiFe em funo da densidade de corrente Figura 6.1: Foto ilustrativa da evaporadora e todo seu aparato de funcionamento Figura 6.2: Simulao da aplicao do fotorresiste PRP
Figura 6.3: Esboo das bobinas de excitao Figura 6.4: Grfico da intensidade do campo magntico em funo da distncia do centro da espira at um determinado ponto fora dela para 4 diferentes correntes Figura 6.5: a) Placa de cobre com a impresso da tinta da impressora transferida com a ajuda do ferro de passar. b) Placa de cobre j corroda Figura 6.6: Etapas para a formao das trilhas atravs da aplicao do PRP Figura 6.7: Trilhas formadas sobre o filme Figura 6.8: Esquema da montagem de um circuito de leitura para um fluxgate
Figura 6.9: Diagrama de blocos para sensor fluxgate com realimentao de campo. KC a constante de corrente de campo na bobina, KS a constante de transduo campo-tenso para o sensor, Hf o campo realimentado que se ope ao campo ambiente e Ha o campo que mantm o da rede do sensor suficientemente pequeno
ndice de Tabelas Tabela 1.1: Resumo sobre caractersticas essenciais de alguns sensores magnticos Tabela 2.1: Amostras utilizadas nos processos de anlises estruturais e magntica Tabela 3.1: Valores dos potenciais de Nernst para alguns materiais Tabela 4.1: Tabela comparando as espessuras obtidas utilizando o Mtodo Gravimtrico com as medidas atravs do MEV Tabela 4.2: Tabela das porcentagens dos elementos Ni, Fe e Co obtidas atravs do EDS
Captulo 1
Introduo
Neste captulo citaremos vrias reas onde as medidas de campos magnticos so
fundamentais, inclusive em especfico a rea de fsica mdica; tipos de medidores e faixas
de medidas discutindo seus custos-benefcios; princpio fsico e funcionamento do fluxgate
e discutiremos mtodos de deposio para as ligas metlicas como por mergulho em metal
fundido (hot dipping), condensao de vapor metlico, vaporizao metlica (metal
spraying) e eletrodeposio.
1.2 Importncia de se medir campos magnticos Antes de mais nada, apresentaremos um pouco da teoria magntica para ter o
entendimento das vrias tcnicas utilizadas nas medidas de campo magntico. A mais
conhecida fonte de campo magntico presente na natureza uma barra de m. O campo
magntico produzido por essa barra uma grandeza vetorial, pois possui mdulo, direo e
sentido.
O campo magntico produzido por um objeto magntico, quando mensurado a certa
distncia, dado por [1]:
]cos2[4
)(3
0
))rr+= senr
r
mrB (1.1)
sendo r
)o vetor unitrio ao longo de r, r a distncia entre a fonte de campo magntico e o
ponto de medida, mr
o momento de dipolo magntico e 0 a permeabilidade do vcuo. A
magnetizao Mr
nada mais que a intensidade magntica dos objetos magnetizados,
sendo definida pela razo da densidade do momento mr
pelo volume V. O vetor
magnetizao uma propriedade tanto de fontes magnticas internas como pode ser
induzido por um campo magntico externo.
A induo magntica ou campo auxiliar Hr
tambm um vetor. No vcuo, o campo
magntico Br
e o campo auxiliar so proporcionais pelo fator 0 :
HBrr
0= (1.2)
Descreveremos
agora a relao entre campo magntico, a induo magntica e o vetor magnetizao [2]:
)(0 MHBrrr
+= (1.3)
Os vetores Hr
e Br
no precisam apresentar a mesma direo. Materiais com
propriedades magnticas anisotrpicas fazem esses vetores apontarem para direes
diferentes. O vetor magnetizao pode ser divido em dois: permanente e induzido. O
permanente independe da presena de campo magntico externo; enquanto que o induzido
s existe com a presena de campo externo.
S para efeitos equacionais, dividiremos os materiais em fortemente e levemente
magnetizados. Nos fortemente magnetizados, a componente de magnetizao permanente
dominante; enquanto que nos levemente predominantemente induzida e descrita da
seguinte forma [3]:
HXMrr
= (1.4)
sendo X a susceptibilidade magntica do material. Nos materiais isotrpicos, tal
susceptibilidade uma medida escalar, enquanto que em materiais anisotrpicos um
tensor, portanto, o mdulo e direo do vetor de magnetizao dependem da intensidade e
direo do campo induzido. Sendo assim, o vetor magnetizao no estar sempre alinhado
com os vetores de induo magntica. Para materiais levemente magnetizados podemos
escrever [4]:
( ) HHXBrrr
00 1 =+= (1.5)
sendo a permeabilidade relativa do material.
Em se tratando de magnetismo na matria, temos trs categorias principais em que
os materiais se enquadram: paramagnticos, diamagnticos e ferromagnticos, dependendo
do comportamento dos momentos magnticos quando o material submetido a um campo
magntico externo [5, 6, 7].
O paramagnetismo [8] resulta do alinhamento parcial dos spins eletrnicos (metais)
por um campo magntico externo. observado em materiais cujos tomos possuem
momentos magnticos que no interagem fortemente e tambm que possuem nmero mpar
de eltrons. Na ausncia de campo magntico externo, esses momentos magnticos esto
orientados ao acaso e a magnetizao total nula. Se um campo magntico externo for
aplicado ao material, os momentos magnticos tendem a se alinhar paralelamente ao
campo, mas tal tendncia contrabalanada pela agitao trmica, que tende a desalinhar
os momentos. A quantidade de momentos que se alinham com o campo ir depender da
intensidade do campo aplicado e da temperatura [9]. Esta quantidade geralmente pequena,
pois a energia de um momento magntico em um campo magntico externo normalmente
muito menor que a energia trmica do material. Sendo assim, mesmo com um campo
elevado, a agitao trmica faz com que a maioria dos momentos magnticos permanea
orientada aleatoriamente, a menos que a temperatura seja muito baixa.
O diamagnetismo [10] causado pela induo de momentos dipolares magnticos
associados ao movimento orbital dos eltrons. Esses momentos se opem ao campo
magntico aplicado e, portanto, reduzem o campo magntico total. Consideremos os
eltrons, presentes na matria, que tenham suas rbitas perpendiculares a um campo
aplicado externamente (deve haver, pelo menos, um tero de rbitas eletrnicas nessa
direo, pois, temos mais duas direes perpendiculares a esta e independentes entre si).
Portanto, ocorrer uma variao no dipolo magntico de cada rbita que proporcional ao
mdulo do campo aplicado [11]. Tal fenmeno ocorre em todos os tomos independente do
nmero de eltrons, sendo o efeito mais fraco. Essa variao ocorre de tal forma que o
campo magntico resultante do dipolo tende a diminuir o campo aplicado quando somados
vetorialmente. Sendo assim, somando todos os campos magnticos dos dipolos que se
comportam dessa forma, teremos uma magnetizao em sentido contrrio ao campo
aplicado. Os tomos que possuem camadas eletrnicas completas apresentam
comportamento diamagntico. Se em algum momento, no material, algum tomo possuir
dipolo magntico permanente, este predominar sobre todos os dipolos induzidos no
material pelo campo externo [12].
O ferromagnetismo [13] observado no ferro, no nquel, no cobalto e em ligas
desses metais. Tais materiais apresentam valores positivos muito altos de susceptibilidade
magntica. Nesses materiais, a aplicao de um pequeno campo magntico externo pode
resultar em um alto grau de alinhamento dos momentos magnticos. Em alguns casos, o
alinhamento persiste mesmo depois que o campo magntico externo removido. Isto
ocorre porque os momentos magnticos influenciam os momentos vizinhos, fazendo com
que todos os momentos em uma pequena regio do espao fiquem alinhados mesmo na
ausncia de um campo magntico externo. A regio do espao na qual todos os momentos
magnticos esto alinhados denominada domnio magntico. Dentro de cada domnio,
todos os momentos magnticos esto alinhados, mas a direo de alinhamento varia de
domnio para domnio, de modo que a magnetizao total de um pedao de dimenses
macroscpicas de um material pode ser muito pequena ou mesmo nula na ausncia de
campo magntico externo. Quando aplicamos um campo externo, as fronteiras dos
domnios se deslocam de tal forma que o momento total na direo do campo aplicado
aumenta. Sendo que esse efeito acontece mesmo para pequenos valores do campo aplicado,
o campo magntico induzido no material por um campo externo pode ser muito maior do
que o prprio campo. Se plotarmos em um grfico a magnetizao na amostra em resposta
ao campo magntico aplicado, notamos que como o deslocamento das fronteiras dos
domnios de um material ferromagntico no totalmente reversvel, o material permanece
magnetizado mesmo quando o campo aplicado totalmente removido. Tal efeito
conhecido como histerese. Observe a figura abaixo:
-3 -2 -1 0 1 2 3
-0,9
-0,6
-0,3
0,0
0,3
0,6
0,9
M/M
S
H(kA/m)
Figura 1.1: Curva de histerese de um filme de NiFeCo depositado com uma densidade de corrente de 4 mA/cm2 com o campo externo aplicado em paralelo amostra. Os eixos y e x correspondem respectivamente magnetizao normalizada pela magnetizao de saturao e intensidade do campo externo aplicado
A rea delimitada pela curva de histerese proporcional energia dissipada como
calor nos processos irreversveis de magnetizao e desmagnetizao [14-16]. Quando o
efeito de histerese pequeno, e, portanto, a rea delimitada pela curva e a dissipao de
energia so pequenas, o material chamado de magneticamente macio. Tal caracterstica
pode ser obtida atravs da medida da coercividade magntica. Esta medida nada mais que
a largura do eixo x no ponto central da curva de histerese. Observe tal medida na figura 1.1.
Os materiais magneticamente macios sero usados como ncleos do nosso sensor, para
permitir que o campo obtido como resposta varie muitas vezes por segundo sem que a
dissipao de energia seja excessiva [12].
1.1.1 Em todas as reas
Os sensores magnticos so utilizados em diferentes reas. O Magnetmetro de
Fluxo Saturado (fluxgate) em particular tem aplicaes estratgicas que fizeram dele pea
importante, especialmente, no perodo da Guerra Fria, onde os satlites-espies americanos
localizavam os msseis enterrados e vice-versa [17]. O magnetmetro fluxgate
considerado um dos mais prticos e versteis instrumentos de medidas de campos
magnticos. Sua origem aconteceu no final da dcada de 1930, com a finalidade de
substituir os antigos equipamentos mecnicos de maior tamanho e que necessitavam de um
perodo relativamente longo para realizar medidas. Este tipo de equipamento teve um
grande desenvolvimento durante o perodo da 2 Guerra Mundial, onde foi largamente
utilizado na deteco de submarinos, uma vez que as ondas de radar tm pouca
penetrabilidade na gua do mar e o sonar, que tambm poderia ser utilizado, poderia
confundi-los com baleias ou cardumes com alta concentrao de peixes [18].
Atualmente, o magnetmetro fluxgate amplamente utilizado em trabalhos de prospeco
geofsica, em sensoriamento remoto, em sistemas de segurana, na indstria e
especialmente nas pesquisas espaciais, a bordo de satlites cientficos. Outra aplicao,
utilizando sensores fluxgate, est sendo desenvolvida em conjunto com a Indstria de
Material Blico do Brasil, visando a otimizao dos tiros de artilharia [19]. Hoje em dia, os
sensores magnticos so largamente utilizados para medir campos magnticos terrestres,
realizar leituras de fitas e discos magnticos, confeco de cartes de crdito e de
identificao. Esses sensores possuem ainda aplicaes indiretas como: confeco de
sensores de deslocamento mecnico linear e angular e confeco de chaves sem contato
[20].
1.1.2 Em fsica mdica
O grfico abaixo ilustra vrios exames, relacionados com os campos magnticos
emitidos por vrios rgos do corpo [21]. Sendo assim, podemos pensar nos sensores
magnticos como auxlio na rea mdica, utilizando-os para medir os campos do corpo,
sem que necessariamente a pessoa sofra uma interveno invasiva.
10-1 100 101 102 103
102
103
104
105
106
Inte
nsid
ade
de c
ampo
(fT
)
Frequncia (Hz)
Contaminantes magnticos no pulmo Correntes abdominais Cardiograma Oculograma Tecido normal diamagntico Miograma Cardiograma Fetal Encefalograma (gama) Encefalograma (alpha) His - Purkinje Hipocampos Crtex sensorimotor Retinograma Atividade cortical de Avoked
Figura 1.2: Grfico dos campos magnticos emitidos em funo da freqncia [22]
Sensores magnticos quando otimizados, permitem que sem a interveno cirrgica,
sejam feitos exames para detectar, por exemplo, o excesso de ferro no fgado de pessoas
submetidas a seguidas transfuses de sangue, como hemoflicos e portadores de talassemia
e anemia falciforme [23]. O diagnstico pode auxiliar o mdico a detectar vrias doenas
decorrentes do acmulo de ferro no organismo. O paciente que foi submetido a uma
transfuso de sangue, precisa ter ferro quantificado no organismo para controlar a sua
remoo e evitar acmulo nos tecidos. Utilizamos o exemplo do fgado, pois um rgo
que acumula em maiores propores o metal.
Existe outro mtodo comumente utilizado para quantificar a quantidade de ferro
acumulado no organismo principalmente no bao e no fgado, por exemplo, Imagem por
Ressonncia Magntica (IRM). Essa tcnica tambm no invasiva e apresenta bons
resultados, apresentando como desvantagem o alto custo, impedindo muitos centros de
sade de adquirirem o equipamento adequado.
O funcionamento do equipamento de IRM est baseado nas propriedades
magnticas dos tecidos biolgicos que so aproximadamente iguais da gua e bastantes
distintas das do ferro presente no corpo. As imagens por RM(ressonncia magntica) so
caracterizadas pela taxa de relaxao dos prtons da gua presentes nos tecidos, aps serem
excitados por uma energia eletromagntica, de RF (rdio freqncia) especfica. Quando os
tomos de ferro esto presentes, essa taxa de relao dos prtons modificada. Quanto
mais ferro tiver, mais rpida a relaxao. Apesar de ser um mtodo sensvel para detectar
variaes de ressonncia nos tecidos biolgicos devido a presena de ferro, a IRM um
mtodo indireto, j que sua preciso depende de ajustes delicados como intensidade de
campo de magnetizao e seqncia das imagens. Alm disso a IRM no uma boa tcnica
para altos nveis de ferro, acima de 10 mg/g de tecido mido, pois nesse caso a relaxao
muito rpida, ficando da ordem do rudo [24-25].
A ressonncia magntica funcional (RMf) tem se tornado o mtodo de escolha para
o estudo das funes cerebrais durante a realizao de tarefas cognitivas. Na corrente
sangnea, o transporte de oxignio realizado quase exclusivamente pelas molculas de
oxi-hemoglobina e deoxi-hemoglobina. Estas, em condies normais, encontram-se no
interior das hemcias. As propriedades magnticas da oxi e da deoxi-hemoglobina so
diferentes. A deoxi-hemoglobina apresenta cinco eltrons no pareados que lhe conferem
paramagnetismo (propriedade relacionada capacidade de alinhamento com o campo
magntico), o que altera o campo magntico ao seu redor. Dessa forma, o microambiente
magntico dentro das hemcias torna-se diferente daquele do sangue livre ao redor. Essa
heterogeneidade de campos magnticos na vizinhana das hemcias tanto maior, quanto
maior for a concentrao de deoxi-hemoglobina. Durante a ativao neuronal, h um
aumento do fluxo sangneo regional. Em uma determinada regio ativada, vemos
desproporcional aumento do fluxo sangneo, comparado a pouco aumento do consumo de
oxignio. Da temos que a concentrao de deoxi-hemoglobina cai nas regies ativadas. A
reduo de sua concentrao em reas ativadas vista como aumento do sinal. Logo,
podemos detectar reas ativadas como tendo sinal aumentado [26-28].
1.3 Tipos de medidores e faixas de medidas analisando custo-benefcio
Podemos utilizar diferentes tcnicas para fazer medidas de campo magntico. Cada
tcnica possui propriedades nicas que a torna mais adequada a aplicaes particulares.
Tais aplicaes podem variar desde a deteco da presena ou a variao de campo at a
medida precisa de propriedades vetoriais e escalares de tais campos magnticos. Os
sensores de campo magntico podem ser divididos em: sensores de componente vetorial
(vetoriais) e sensores de magnitude (escalares). Nos sensores vetoriais fazemos uma
subdiviso em: sensores para medio de baixo-campo, ou melhor, abaixo de 1 mT e alto-
campo, acima de 1 mT. Instrumentos para medio de baixo-campo so chamados de
magnetmetros, e para medio de alto-campo gaussimetros [29].
A bobina de induo [30] e o magnetmetro de fluxo saturado (fluxgate) [31] so os
sensores mais utilizados entre os vetoriais. Tais sensores so seguros, robustos e de menor
custo quando comparados a outros instrumentos de medio para baixo-campo magntico.
O magnetmetro de fibra tica o mais novo instrumento desenvolvido para a medida de
baixo-campo, o seu potencial para o desenvolvimento do seu desempenho significativo
[32-34]. Os magnetmetros SQUID (superconducting quantum interference device) so os
mais sensveis entre todos os sensores de campo magntico [35]. Operam em temperaturas
prximas do zero absoluto e precisam de um sistema de controle trmico, tornando-os
menos robustos, menos confiveis e mais caros.
Os mais antigos e comuns para medida vetorial de alto-campo so os dispositivos de
efeito Hall [36]. S so utilizados em campos maior que 1 T. Os magnetorresistivos so
prprios para grandes variaes entre alto e baixo campos [37]. Dentro dos
magnetorresistores existem dois tipos [38-40]: magnetorresistores anisotrpicos
(Anisotropic Magnetoresistor AMR), utilizados como magnetmetros e magnetorresistivo
gigante (giant magnetoresistive GMR), com um incremento de dez vezes na sensibilidade,
promete ser um forte concorrente ao magnetmetro de fluxo saturado (fluxgate) em
aplicaes de mdia sensibilidade.
A tabela abaixo resume vrias caractersticas de alguns sensores magnticos:
Sensor Faixa (mT) Resoluo (nT) Banda (Hz) Caracterstica Bobina de induo 10-10 a 106 Varivel 10-1 a 106 No mede campos
estticos Fluxgate 10-4 a 0,5 0,1 dc a 2x103 Magnetmetro
vetorial de propsito geral
SQUID 10-9 a 0,1 10-4 dc a 5 Magnetmetro de alta sensibilidade
Efeito Hall 0,1 a 3x104 100 dc a 108 Ideal para campos maiores que 1 T
Magnetorresistivo 10-3 a 5 10 dc a 107 Para aplicaes de faixa mdia
Tabela 1.1: Resumo sobre caractersticas essenciais de alguns sensores magnticos [41]. O grfico abaixo nos mostra a comparao das faixas de funcionamento de alguns
dos diferentes tipos de sensores magnticos; e nas sees seguintes discutiremos seus
princpios de funcionamento.
Figura 1.3: Grfico de comparao entre as faixas de medidas dos vrios tipos de sensores magnticos 1.2.1. - Bobina de induo
Existe uma grande relao entre campo magntico e campo eltrico. Faraday
enunciou que se poderia produzir tenso nos terminais de uma volta de um fio aproximando
ou afastando um m, levando tal resultado a um sensor de bobina de induo. Portanto,
campos magnticos so produzidos pelo movimento de cargas eltricas.
A bobina de induo um dos dispositivos detectores de campo magntico mais
simples existente [42]. O funcionamento de tal dispositivo baseado na lei de Faraday [43].
A lei indica que se ocorrer uma variao de fluxo magntico atravs da rea determinada
por uma espira, uma fora eletromotriz ser induzida na mesma, que ser proporcional
taxa de mudana do fluxo; ou seja:
dt
dt
=)( (1.6)
sendo a fora eletromotriz, o fluxo magntico e t o tempo.
Considerando o campo magntico
B uniforme e
A como sendo o vetor normal
rea de seco reta determinada pela volta do fio, a tenso nos terminais da bobina ser:
dt
ABdt
)()(
= (1.7)
para campos uniformes.
Atravs da equao acima, podemos entender que a variao temporal em
B ou
mecnica na orientao de
A relativa
B produzir tenso nos terminais da bobina. Se a
bobina se mantm fixa em relao
B , o campo esttico no pode ser detectado, mas caso
a mesma seja rotacionada ou tiver a magnitude de
A modificada, ento ser possvel medir
o campo esttico.
a)
b)
Figura 1.4: A bobina de induo consiste em um solenide, podendo ou no possuir um ncleo ferromagntico. a) antena em anel com ncleo de ar; b) antena solenoidal com ncleo ferromagntico A figura 1.4 representa as duas configuraes mais comuns de bobina de induo
para medidas de intensidade de campo magntico [41]. O princpio de funcionamento
igual para as duas diferentes configuraes.
1.2.1.1 Antena em anel com ncleo de ar
Tal configurao consiste em um anel circular ou retangular, contendo uma ou mais
voltas de um fio sem um ncleo magntico. O dimetro do anel na maioria das vezes
muito maior que as dimenses da seco reta do enrolamento. A sensibilidade de uma
antena de anel circular com o enrolamento interno ao dimetro d e seco reta retangular
pode ser estimada pela relao [20]:
++=
220
4
321
4 d
t
d
tndK
(1.8)
sendo t a espessura do enrolamento e n o nmero de voltas.
Tal configurao usada somente para medir campos magnticos com freqncias
na faixa que varia de 100 Hz at alguns mega Hertz. Um aspecto negativo seria o tamanho
que o dispositivo deveria ter quando for necessrio alta sensibilidade em baixas
freqncias.
1.2.1.2 Antena em haste
Esta antena menor que a antena em anel de mesma sensibilidade, podendo ser
projetada para operar em baixas freqncias [41]. Tem como inconveniente, sua resposta
no ser linear intensidade de campo magntico alm do ncleo adicionar rudo ao sinal.
Tal antena constituda basicamente de um solenide com ncleo magntico. O ncleo
pode ser de seco circular ou retangular, constitudo de material de alta permeabilidade
relativa. Coloca-se um isolante entre as camadas de enrolamento a fim de reduzir a
capacitncia e, por fim, colocada uma malha eletrosttica sobre o enrolamento para
atenuar qualquer campo eltrico acoplado ao sinal.
1.2.2 - Efeito Hall
O efeito Hall foi descoberto em 1879 por E. H. Hall, quando o mesmo aplicou um
campo magntico perpendicularmente direo da corrente eltrica em um condutor
eltrico [44]. Ele observou que aparecia uma diferena de potencial eltrico nas laterais
desse condutor na presena de tal campo magntico. O efeito ocorre devido fora de
Lorentz que tende a desviar as cargas eltricas de sua trajetria [45-46]. Desta forma, cria-
se um acmulo de cargas nas superfcies laterais do condutor, produzindo ento, uma
diferena de potencial. Observe a figura 1.5 que ilustra o efeito Hall:
Figura 1.5: Uma voltagem V d origem a uma corrente I na direo positiva de x. A resitncia hmica V / I. Um campo magntico na direo positiva z deflete os portadores de carga positiva na direo negativa de y. Isto gera um potencial de Hall (VH) e uma resitncia de Hall (VH / I ) na direo de y
O excesso de cargas positivas e negativas funciona como um capacitor de placas
paralelas, com um campo eltrico conhecido como campo Hall. O efeito Hall acontece em
qualquer material condutor, sendo seu efeito predominante em materiais semicondutores
[47].
Existe uma grande vantagem do sensor Hall frente a outros sensores de medidas de
campo magntico. O Hall tem a capacidade de medir tanto campos contnuos como
alternados em um nico instrumento. Ele tambm apresenta como outras vantagens a
velocidade de resposta, durabilidade, variabilidade de formatos e medio sem contato.
1.2.3 - Magnetoresistor
Sensores magnetoresistivos tm seu funcionamento baseado na magnetoresistncia
[48]. Magnetoresistncia um fenmeno que ocorre em materiais que mudam sua
resistividade eltrica quando expostos a um campo magntico [49]. Alguns materiais
ferromagnticos tm um grande efeito magnetoresistivo. Atravs da figura abaixo, podemos
ter uma idia de como um sensor magnetoresistivo funciona:
a) b)
Figura 1.6: Esquema ilustrativo de um sensor magnetoresistivo. a) Sem aplicao de campo magntico externo, o material apresenta resistncia R1. b) Aplicando um campo magntico externo, o material passa a ter uma resistncia R2 menor que R1 Tal esquema acima representa um acoplamento de camadas magnticas externas
(retngulos brancos), feitas de material ferromagntico e uma fina camada, com dimenses
da ordem do livre caminho mdio dos eltrons de conduo, de material no magntico no
interior (retngulo preto). As correntes so fornecidas por uma fonte de tenso.
Quando no h aplicao de campo magntico externo, representado na fig 1.6 a, as
camadas de material magntico possuem magnetizaes orientadas em sentidos opostos,
pois existe uma camada de material no magntico no interior delas. Tal configurao
permite que o material ferromagntico se oriente em sentidos opostos a fim de minimizar a
energia.
No momento em que aplicamos um campo magntico externo, representado na fig
1.6 b, as magnetizaes do material ferromagntico se orientaro com mesma direo e
sentido do campo externo aplicado. Considerando uma voltagem constante, notaremos que
devido aplicao do campo, haver um aumento na corrente detectada, e
consequentemente, ocorrer, portanto, uma diminuio na resistncia do material [49].
Campo magntico externo
I1 I2
1.2.4 - SQUID
O funcionamento fsico do SQUID se apia no efeito Josephson e na quantizao do
fluxo magntico em um circuito supercondutor fechado [50]. O efeito Josephson
caracterizado por uma corrente crtica, sendo que abaixo da mesma, uma barreira de
potencial supercondutora; e nesse estado, o circuito apresenta uma resistncia nula, tendo
como conseqncia, mesmo quando polarizado por uma corrente eltrica, a tenso nos
terminais ser nula. Se existir uma corrente superior ao valor da corrente crtica, a barreira
de potencial transita para o estado normal, e consequentemente, passamos a detectar uma
tenso no nula.
A corrente crtica no SQUID funo do fluxo magntico aplicado, apresentando
uma periodicidade equivalente ao quantum de fluxo:
eh 2/ (1.9) sendo h a constante de Plank e e a carga do eltron.
A determinao com alta resoluo da variao do fluxo que atravessa o dispositivo
obtida atravs da medida da variao da corrente crtica. Sendo assim, o SQUID pode ser
chamado de conversor de variao de fluxo magntico em variao da corrente crtica.
A montagem do SQUID consiste em um anel supercondutor interrompido
por uma ou duas junes de Josephson. Com uma janela o SQUID denominado RF e com
duas SQUID DC. O primeiro tem uma montagem relativamente simples, mas em contra-
partida seu funcionamento exige eletrnica de rdio-frequncia para deteco, gerando
interferncias nas amostras.
Se aplicarmos uma corrente contnua de polarizao ao SQUID DC verificaremos
uma variao de tenso nos teminais. Na verdade, nos magnetmetros convencionais, os
sistemas apresentam bobinas de entrada, a qual conectada as bobinas de deteco
(acopladas com a amostra) e uma bobina de modulao que permite incorporar as
vantagens tcnicas de realimentao e da deteco sncrona (lock-in).
1.2.5 Fluxgate O magnetmetro de fluxo saturado ou fluxgate o principal instrumento de medida
de intensidade de campo magntico. Tem como vantagens ser robusto, confivel, pequeno e
opera com baixssima potncia. Tais caractersticas, somadas a sua capacidade na medida
das componentes vetoriais de campo magntico na faixa de 0,1 nT a 1 mT e na faixa de
freqncia de um sinal dc a alguns kHz, faz de tal sensor, um instrumento bastante verstil.
Gegrafos utilizam o sensor em explorao e geofsicos no estudo de campos
geomagnticos, entre 20 T e 75 T na superfcie terrestre. Alguns sistemas de segurana
utilizam fluxgate na deteco de armas; engenheiros de satlites utilizam para determinar e
controlar a altitude dos foguetes espaciais. Como principais aplicaes militares do fluxgate
so as deteces de minas e deteco de veculos [41].
O princpio de funcionamento do fluxgate simplesmente a aplicao imediata da
Lei de Induo de Faraday, vista na equao 1.6, a qual prev a induo de uma fora
eletromotriz nos terminais de uma bobina, se houver variao no fluxo magntico dentro
dela. Quando deixamos de lado as mudanas na geometria, podemos provocar variaes no
fluxo atravs de mudanas na permeabilidade do material que constitui o ncleo da
bobina. Existem diferentes configuraes de sensores fluxgate. Algumas so mais
conhecidas, que esto apresentadas logo abaixo:
a) b)
Figura 1.7: a) configurao Schonstedt e b) configurao ring core
Nessas duas configuraes o campo de excitao perpendicular bobina de
deteco. Tal caracterstica minimiza o acoplamento entre campo de excitao e o sinal na
bobina de deteco.
O sensor fluxgate da fig 1.7 b) (ring core) formado a partir de uma fina fita de
material ferromagntico que se satura facilmente, ou melhor, que apresenta uma curva de
saturao B x H praticamente vertical, possuindo alta permeabilidade, = dB/dH, para
valores de H no muito altos, saturando abruptamente para valores maiores de H, ou seja,
prximo de zero [51].
Na figura abaixo, uma corrente alternada aplicada na bobina enrolada ao toride.
Tal corrente cria um campo magntico que circula pelo ncleo e produz um fluxo no
material ferromagntico para saturao peridica, primeiro no sentido horrio e segundo no
sentido anti-horrio. Enquanto o ncleo est entre os extremos de saturao, ele mantm
uma permeabilidade magntica mdia, muito maior que a do ar.
Figura 1.8: O campo de excitao de um fluxgate condiciona alternadamente o ncleo saturao positiva e negativa, chaveando a permeabilidade do ncleo entre um e um grande valor duas vezes a cada ciclo. A figura acima ilustrativa da variao do fluxo magntico, da permeabilidade e do sinal de tenso no sensor em funo do campo de excitao No caso contrrio da situao anterior, existe uma componente de campo magntico
ao longo do eixo da bobina de deteco. Sendo assim, cada vez que o material
ferromagntico utilizado como ncleo, vai de um extremo de saturao ao outro, o fluxo no
ncleo varia de um nvel baixo a um nvel alto. Para campos magnticos dc e de baixa
freqncia, a tenso na bobina de deteco [41]:
dt
tdHnAtVs e
)()( 0
= (1.10)
sendo H a componente do campo magntico a ser medida, n o nmero de voltas da bobina
de deteco, A a rea da seco reta da bobina de deteco e e a permeabilidade relativa
efetiva do ncleo.
Quando a permeabilidade do ncleo varia de um valor baixo a um valor alto, so
produzidos pulsos de tenso na bobina de deteco com amplitude proporcional
magnetitude do campo magntico externo e com a fase indicando a direo do campo, j
que o fluxgate um sensor com medidas vetoriais de campo. A freqncia do sinal o
dobro da freqncia de excitao, sendo que a transio de saturao a saturao acontea
duas vezes em um nico perodo de excitao.
Figura 1.9: Uma corrente alternada i(t) passando pela bobina primria gera um campo H(t) que realiza todo ciclo de histerese. Quando o ncleo saturado duas vezes durante um perodo na curva de magnetizao, (t) deve ser uma funo peridica com freqncia duas vezes maior que a do sinal de excitao i(t). No havendo campo externo aplicado ao dispositivo, a simetria do sensor faz com que nenhum sinal aparea nos terminais da bobina de deteco
F. Primdahl [52] enuncia outra aproximao vlida para a tenso induzida na bobina
de deteco:
exaaS BfANV = )(2 minmax0 (1.11) sendo VS a tenso induzida na bobina sensora, N o nmero de espiras na bobina sensora, A a
rea da seco transversal do ncleo, f0 a freqncia de excitao, amax a permeabilidade
aparente mxima, amin a permeabilidade aparente mnima e Bex o campo externo a ser
medido.
Para encontrar a permeabilidade aparente, consideramos que:
)]1(1[ += rra D (1.12)
sendo r a permeabilidade do ncleo e D o fator de desmagnetizao do ncleo.
Tendo o sinal de excitao uma freqncia f e sendo um sinal peridico qualquer, o
sinal induzido dever apresentar componentes pares em relao ao sinal de excitao. As
componentes mpares aparecem como rudo, devido a falta de uma simetria perfeita no
arranjo [53].
1.3 Fluxgate macro e micro-sensor planar A fim de construir o micro-sensor planar, inicia-se o processo construindo o macro-
sensor. Abaixo, est explicitado um esquema ilustrativo das vrias fases presentes na
construo do sensor:
Figura 1.10: Esquema ilustrativo do sensor fluxgate tipo planar Atualmente so realizados grandes esforos no sentido de miniaturizar esse tipo de
dispositivo. No entanto, a miniaturizao um fator que limita muito a sensibilidade e
acrescenta nvel extra de rudo [54]. Com o avano da micro-tecnologia, e
consequentemente, a micro-fabricao, baseado na utilizao de fotolitografia, possvel
obter tais dispositivos com caractersticas extremamente notveis. Muitos deles, embora
tenham dimenses muito reduzidas, possuem, ainda, alta sensibilidade com deteco de 0,1
nT, tima linearidade e uma resoluo que alcana os 60 nT [55].
1.4 - Algumas tcnicas de deposio para ligas metlicas ferromagnticas que constituem
o ncleo do sensor
Existem vrias tcnicas de deposio de ligas metlicas. Neste item iremos explicar
sucintamente algumas delas e explicitar algumas vantagens e desvantagens. A deposio de
metais pode ser feita por mergulho em metal fundido (hot dipping), condensao de vapor
metlico, vaporizao metlica (metal spraying), sputtering, evaporao trmica,
evaporao por feixe de eltrons (e-beam) e eletrodeposio.
Um dos mtodos muito utilizados para a deposio de metais a evaporao por
feixe de eltrons (e-beam). Em tal processo, o material a ser evaporado ou depositado,
Bobina detectora
Camada isolante
Camada isolante
Bobina excitadoras
Filme metlico
Substrato de cobre
Camada isolante Ponte eltrica
colocado em um cadinho e o processo realizado em uma cmara de vcuo com a presso
de base em torno de 10-7 torr. A evaporao feita por incidncia direta do feixe de eltrons
no material e a formao do filme pela condensao do material evaporado e transportado
para a superfcie da amostra. A figura abaixo nos mostra um esquema do que acabou de ser
descrito:
Figura 1.11: Esquema de uma evaporadora por feixe de eltrons [56]
Na microeletrnica a maior utilizao da evaporadora e-beam se d na necessidade
de depositar mais de um material ou um em cima de outro. Sua alta energia por feixe de
eltrons permite a deposio de vrios tipos de materiais.
Outro mtodo largamente utilizado para depositar ligas metlicas o sputtering. O
material a ser depositado desalojado do alvo por bombardeamento de ons e, sendo que
tambm incide ons de alta energia na superfcie do substrato, este introduz uma pequena
degradao na superfcie do substrato sendo benfico para a deposio, pensando-se no
aspecto de aderncia do metal na superfcie.
Ainda com a microeletrnica no to desenvolvida, o sputtering era a tcnica
preferida pra a cobertura de materiais, tendo em vista a sua menor exigncia no aspecto de
vcuo, que era em torno, para o sputtering, na faixa de mtorr e para a evaporao, menor
que 10-5 torr. Evoluindo o sistema de tecnologia de sputtering, da disponibilidade de gases
ultra-puros e utilizao de baixas presses, a problemtica da contaminao por
incorporao de gases nos filmes depositados por sputtering foi reduzida a nveis aceitveis
para processo de circuitos integrados, sendo hoje o mtodo mais utilizado para a fabricao
de circuitos integrados. Tal escolha se deve ao fato das melhores caractersticas dos filmes
depositados por sputtering do que por evaporao, como aderncia, uniformidade, melhor
composio de filmes compostos e ligas, e melhor cobertura em degraus. Existem
sputerring com diferentes tipos de fontes empregados para a ionizao dos gases: DC
Sputtering, que utiliza uma fonte DC (fig 1.12); RF Sputtering, onde a fonte de ionizao
uma tenso RF; Bias Sputtering, que permite polarizar o substrato e assim efetuar a
deposio e o etching simultaneamente; Magnetron Sputtering, que utiliza o campo
magntico (ms) para aumentar a porcentagem de eltrons que participam da ionizao dos
gases para melhorar a taxa de colises dos processos sputtering DC e RF que so bastante
baixas. O sputtering apresenta desvantagens como alto custo do equipamento; a taxa de
deposio de alguns materiais pode ser bastante baixa; alguns materiais degradam pelo
bombardeamento de alta energia; como o processo efetuado em presses maiores que as
utilizadas em evaporaes, pode ocorrer uma incorporao de impurezas ao filme
depositado.
Figura 1.12: Esquema de um sputtering DC [56]
Agora descreveremos um pouco do mtodo de eletrodeposio de metais, o qual foi
utilizado para depositar nossos filmes de NiFe e NiFeCo.
Na operao de eletrodeposio, a pea a ser tratada considerada o ctodo de uma
clula eletroltica que contm uma soluo conhecida como banho de deposio. Esta
possui ons do metal que se deseja depositar. O esquema abaixo apresenta um esquema de
uma clula eletroltica:
Figura 1.13: Esquema de uma clula eletroltica
O nodo dessa clula geralmente do mesmo metal a ser depositado, mas pode ser
tambm de algum material altamente condutor (como cobalto, por exemplo), insolvel no
banho nas condies atuantes. O ctodo da clula conhecido como eletrodo de trabalho e
no nosso caso, o ctodo constitudo de cobre. Tal operao de deposio efetuada pela
passagem de uma corrente atravs da clula, onde uma fonte da fora eletromotriz poder
ser uma bateria ou um gerador de corrente contnua ou de corrente alternada retificada. No
nosso caso, utilizamos uma fonte de corrente contnua.
Devido diferena de potencial, ons metlicos so gerados pela dissoluo no
nodo e, assim como os ons metlicos do eletrlito em soluo, movem-se na direo do
ctodo, sobre o qual so depositados em estado metlico.
No caso do nodo ser do tipo insolvel, a reao eletroqumica neste eletrodo
consistir na descarga de ons negativos (oxidao) e, usualmente em meio aquoso, na
reao de desprendimento de oxignio. Em tal caso, o contedo em on metlico do banho
deve ser mantido por adies peridicas do metal sob a forma de xido ou hidrxido que,
ao mesmo tempo, neutraliza a acidez crescente que acompanha a eletrlise sob tais
circunstncias.
A quantidade de transformaes que ocorrem no ctodo ou no nodo durante a
eletrlise proporcional quantidade de eletricidade que passa atravs da soluo. Desde
que no ctodo ons de hidrognio sejam descarregados ao mesmo tempo em que os ons
metlicos, a eficincia do processo menor que 1. De qualquer maneira, sob quaisquer
condies, a espessura do depsito deve ser proporcional ao tempo de deposio.
Para se obter um satisfatrio recobrimento do filme com a liga metlica, devemos
controlar trs variveis: composio qumica do banho, temperatura e densidade de corrente
catdica. Tais variveis exercem influncia direta sobre o carter do depsito e esto
relacionadas entre si de tal forma que se uma delas for alterada, as outras se alteraro [57].
As coberturas obtidas por eletrodeposio so de espessuras mais uniformes, menos
porosas que as vaporizadas e de maior pureza. O mtodo permite facilmente o controle da
espessura da camada depositada. Alm de todas as vantagens citadas acima, frente outros
mtodos de deposio, a eletrodeposio um mtodo extremamente barato, de fcil
montagem, quando comparado com os mtodos descritos acima, j que no necessita de
vcuo, muito menos de gases para a deposio dos filmes.
Nosso objetivo no trabalho foi estudar as propriedades estruturais e magnticas dos
filmes finos compostos pelas ligas metlicas NiFe e NiFeCo eletrodepositados. Procuramos
encontrar o melhor filme para que este possa ser utilizado como ncleo na confeco de um
micro-sensor magntico tipo fluxgate planar. No captulo 2 descreveremos detalhadamente
todo o processo de eletrodeposio, juntamente com os materiais utilizados em todo
experimento e tambm ser explicado todos os mtodos que utilizamos para caracterizao
estrutural e magntica dos filmes. No captulo 3 apresentaremos os resultados e discusses
dos filmes finos compostos pelas ligas de NiFe. O mesmo estudo ser feito no captulo 4
para os filmes finos compostos pelas ligas de NiFeCo. No captulo 5 compararemos as
caractersticas estruturais e magnticas obtidas para os filmes das ligas de NiFe e NiFeCo,
procurando encontrar o filme mais apropriado para a aplicao como ncleo do micro-
sensor tipo fluxgate planar. O captulo 6 apresentar em detalhes, os passos para a
construo de um micro-sensor planar, juntamente com uma simulao da quantidade de
espiras em uma bobina e tambm a montagem de toda a eletrnica necessria para
caracterizar o sensor. Por fim, apresentaremos o captulo de concluso buscando a melhor
liga e as melhores condies de fabricao para podermos obter o filme certo para a
aplicao do ncleo de um micro-sensor tipo fluxgate planar.
Captulo 2
Eletrodeposio e Tcnicas de Caracterizao
Descreveremos a seguir detalhadamente o processo de eletrodeposio. Logo aps
apresentaremos os materiais e mtodos utilizados para confeccionar e analisar
respectivamente nossos filmes.
2.1 Processo de eletrodeposio A eletrodeposio o processo de formao de depsito associada a uma reao
eletroqumica [58-60]. Juntamente com a transferncia de cargas atravs da interface
eletrodo/eletrlito, ocorrem reaes qumicas cujos produtos so slidos. Reaes
eletroqumicas onde ocorrem a formao de depsitos podem ser reaes redutoras ou
reaes oxidantes. Durante as reaes redutoras ocorre a transferncia de eltrons do
eletrodo para o eletrlito (deposio catdica), e durante as reaes oxidantes ocorre a
transferncia de eltrons do eletrlito para o eletrodo (deposio andica).
Para a deposio de metais as principais tcnicas utilizadas de eletrodeposio so:
galvanosttica, potenciosttica, eletrodeposio espontnea e deposio pulsada. Na tcnica
de eletrodeposio galvanosttica, a corrente flui atravs da clula eletroqumica, sendo
mantida constante. Por outro lado, na eletrodeposio potenciosttica, aplicado um
sobrepotencial mantendo-o fixo durante a deposio. A deposio qumica electroless no
exige aplicao de corrente ou potencial, pois a mesma ocorre espontaneamente. Na
deposio pulsada, aplicamos pulsos de corrente ou potencial na clula eletroltica. Para
todas as tcnicas acima, o tempo o fator que determina a espessura do filme depositado.
Com a tcnica potenciosttica ou galvanosttica, podemos a partir de um nico eletrlito,
com diferentes ons metlicos dissolvidos, depositar camadas com diferentes componentes.
Para a obteno de filmes finos de NiFeCo e NiFe, optamos pela tcnica de
eletrodeposio galvanosttica. As caractersticas morfolgicas e estruturais do filmes
variam de acordo com a densidade de corrente utilizada para cada depsito, como ser visto
posteriormente.
Como os tomos metlicos no so depositados sobre o substrato como uma simples
monocamada, a eletrodeposio de metais passa por duas importantes etapas: nucleao e
crescimento. A etapa de nucleao muito importante quando o eletrodo de trabalho no
composto pelo material a ser depositado. Assim, necessrio a criao de ncleos para o
posterior crescimento do depsito, sendo esta a situao para as duas diferentes deposies
realizadas no nosso trabalho.
Em todo o volume da soluo e na dupla camada, regio de fronteira entre duas
fases com composies diferentes que caracterizada pela presena de foras anisotrpicas,
os ons metlicos esto solvatados por molculas de gua, ou seja, os ons metlicos esto
envoltos por molculas de gua. Em primeiro lugar, o on metlico adsorvido superfcie
do eletrodo sendo totalmente ou parcialmente neutralizado. Neste estado o on metlico
torna-se um adtomo, ou melhor, um estado intermedirio entre o estado inico na soluo
e o estado metlico no eletrodo de trabalho. Este adtomo, quando chega at o eletrodo de
trabalho, vai se deslocando pelo mesmo at encontrar alguma irregularidade. Tal
irregularidade pode ser algum defeito ou rugosidade na superfcie do eletrodo, ou tambm
como uma impureza ou um ncleo de crescimento do depsito. Para tal adtomo passar
para o estado metlico, deve haver um certo consumo de energia. Se por acaso o tomo
metlico se fixar diretamente no eletrodo, tal energia para formar esse ncleo de
crescimento muitas vezes maior que a energia gasta para formar uma ligao metal-metal.
O crescimento de vrios ncleos dar origem a formao de gros, por isso a morfologia de
filmes eletrodepositados tridimensionalmente granular.
Nos instantes iniciais da eletrodeposio, no modo galvanosttico, ocorre a
formao e o crescimento dos ncleos, a rea eletroativa cresce rapidamente resultando em
uma diminuio acentuada no mdulo do potencial. Conforme as bordas dos gros se
encontram, a rea eletroativa diminui, e juntamente com tal processo ocorre o consumo dos
ons da camada de Helmholtz(regio logo aps aos ons que foram solvatados ao substrato
metlico) e a taxa de deposio passa a sofrer influncia do transporte de massa, ou melhor,
difuso dos ons da soluo para a superfcie do eletrodo. Devido a esses dois processos
simultneos, o potencial tende a aumentar. Quando a taxa de reao totalmente controlada
pelo transporte de massa, o potencial tende a um potencial de equilbrio.
Na eletrodeposio, um dos principais fatores a eficincia do processo.
Certamente procuramos uma eficincia de 100 % correspondendo a que toda corrente
fornecida para clula eletroltica seja referente reao.
Durante a eletrodeposio devemos nos atentar para a formao secundria de
hidrognio [61-63]. Na soluo predomina um carter cido, pois existe uma abundncia de
H+ vindo dos eletrlitos utilizados. Tal carter tambm se deve a proximidade do potencial
padro de reduo dos metais e do hidrognio, ou seja, muitas vezes o metal deixa de
reduzir para o hidrognio sofrer reduo. A participao do hidrognio na deposio de
metais acontece na maioria dos casos. Durante a deposio podemos notar a formao de
bolhas de hidrognio sobre o substrato, impedindo o recobrimento do substrato em certos
pontos, em outros casos as bolhas so cobertas pelos depsitos gerando poros. Em outro
caso tambm pode ocorrer a reao entre metal e hidrognio formando hidreto e
consequentemente comprometendo a estrutura e morfologia do filme eletrodepositado.
Os experimentos eletroqumicos so realizados em cubas eletrolticas (observe a fig.
2.1). Dentro da cuba colocado o eletrlito, onde so imersos os eletrodos de trabalho e
auxiliar, para a medida das correntes e potenciais eltricos envolvidos nas diferentes
reaes. A observao de formao de depsitos nos eletrodos deu incio aos estudos da
eletrodeposio. A necessidade tecnolgica de aprimoramento de tcnicas para o
revestimento de superfcies e a conseqente alterao das propriedades das mesmas
incentivou tal estudo. Portanto, o incio da eletrodeposio de metais foi praticamente
simultneo ao desenvolvimento da eletroqumica [64].
Figura 2.1: Esquema de uma clula eletroltica
Estudando um pouco a parte de eletroqumica para compreendermos o processo de
eletrodeposio, Faraday introduziu termos eletroqumicos que so utilizados at os dias de
hoje [65-73].
Sendo a conduo de eletricidade a caracterstica intrnseca dos materiais
participantes, apropriado considerar um sistema eletroqumico como composto por, no
mnimo, dois condutores eletrnicos, ou melhor, eletrodos, separados por um condutor
eletroltico.
A passagem de uma corrente eltrica de um condutor metlico para um condutor
eletroltico, ou vice-versa, sempre acompanhada por uma reao eletroqumica. Essa a
forma genrica do enunciado da Lei de Faraday. Quantitativamente, Faraday tambm
props: A magnitude do efeito qumico, em equivalentes qumicos, a mesma tanto na
superfcie metlica quanto na soluo eletroltica e est determinada pela quantidade de
eletricidade que passa [74]. Tal frase corresponde a: se um equivalente de eltrons flui
atravs de uma interface, um equivalente-grama da espcie envolvida no processo
eletrdico dever ser oxidado ou reduzido. A carga correspondente a um equivalente de
eltrons tradicionalmente conhecida pelo nome de constante Faraday e corresponde a:
F = N.e (2.1)
sendo F a constante de Faraday, N o nmero de Avogadro e e a carga do eltron.
Substituindo os valores de N e de e, obtemos F = 96500 C. Assim, em uma eletrlise na
qual a corrente mantida constante, a massa de material envolvida em cada um dos
processos eletrdicos pode ser calculada pela seguinte equao:
F
tIEm
q= (2.2)
sendo I a corrente, t o tempo e Eq o equivalente-grama da espcie envolvida no processo
eletrdico, ou melhor:
n
MMEq = (2.3)
sendo, n o nmero de eltrons envolvidos na reao eletroqumica.
Como j dito, o sistema eletroqumico deve ser composto, no mnimo, por dois
eletrodos imersos em um eletrlito que transporta ons, conforme representado na figura
2.1.
Estudando o eletrlito, em condies fora do equilbrio, quando circula corrente
eltrica, observamos os fenmenos de transporte de massa: a difuso, migrao e
conveco. J no estudo da interface eletrodo/soluo em condies fora do equilbrio,
teremos que estudar conceitos baseados na cintica eletroqumica.
Passando corrente eltrica atravs de uma clula eletroltica, provocamos um
desequilbrio no sistema, podendo ser caracterizado pelos seguintes fenmenos que se
manifestam no interior do sistema: 1) ocorre um par de reaes nos eletrodos, 2)
verificamos a movimentao de espcies na soluo eletroltica e, 3) surge o fenmeno de
polarizao eletrdica.
Como a reao ocorre na interface eletrodo/soluo, que caracterizada pela
existncia de anisotropia de foras e pela presena de campos eltricos, ser necessrio
descrevermos um pouco os fenmenos da dupla camada eltrica e suas conseqncias para
a velocidade das reaes eletrdicas.
A regio fronteiria entre duas fases com composies diferentes caracterizada
pela presena de foras anisotrpicas. de tal anisotropia de foras que surge o fenmeno
da tenso superficial e as demais propriedades caractersticas da interface. Considerando
um soluto inico dissolvido em gua, observamos que o comportamento de um on presente
no interior da soluo guiado por foras isotrpicas, enquanto que o comportamento do
on perto da superfcie guiado por foras anisotrpicas. Dependendo da componente total
das foras anisotrpicas superficiais, nas regies prximas interface ocorrer um aumento
ou uma diminuio da concentrao do on. Em tal caso, como espcies carregadas
eletricamente esto envolvidas, o resultado ser uma distribuio desigual de cargas
eltricas da qual se segue aparecimento de uma diferena de potencial entre a superfcie e o
interior da soluo. Em uma interface eletrodo/soluo eletroltica, os fenmenos ocorrem
de forma semelhante ao que se foi descrito acima, diferindo apenas no fato de que a queda
de potencial entre o eletrodo e a soluo pode ser controlada atravs de um circuito externo.
A regio fronteiria denominada de dupla camada eltrica. Nas interfaces
eletrodo/soluo possvel inserir uma diferena de potencial varivel atravs de uma fonte
externa, permitindo controlar externamente a adsoro de cargas e dipolos. A adsoro de
espcies na interface eletrodo/soluo envolve tanto ons quanto dipolos. Na ausncia de
transferncia de carga atravs da interface a condio termodinmica de equilbrio exige
que a interface seja eletricamente neutra. Isto equivale a dizer que a uma dada carga no
eletrodo corresponder uma carga igual e de sinal oposto na soluo. A interface pode ser
considerada como um capacitor de placas paralelas. Portanto, as leis que regem o
comportamento eltrico dos capacitores tambm podem ser aplicadas dupla camada
eltrica, sendo uma delas relacionada com a capacidade eltrica ou capacitncia (C). Esta
grandeza definida como a relao entre a carga acumulada em uma das placas do
capacitor e o potencial aplicado. De forma semelhante a um capacitor, para a dupla camada,
pelo princpio da eletroneutralidade, podemos considerar que a carga acumulada no metal
igual e de sinal contrrio carga acumulada na soluo.
Quando injetamos uma carga eltrica em um eletrodo atravs de uma fonte externa,
que o nosso caso, podem correr duas situaes: 1) A carga acumula-se na interface
eletrodo/soluo. Neste caso, a diferena de potencial atravs da interface depende da carga
injetada, o que ilustra a forma de controlar externamente essa diferena. Neste caso, o
eletrodo polarizado. 2) A carga injetada escoa atravs da interface sendo transferida a
alguma das espcies em soluo. Assumindo que essa transferncia seja suficientemente
rpida, ser observado que a diferena de potencial atravs da interface permanece
inalterada. A diferena de potencial entre os dois eletrodos que compem a clula
eletroqumica a variao entre as diferenas de potenciais de duas interfaces. Variaes
nessa diferena de potencial se traduzem em variaes na diferena de potencial na
interface do eletrodo de trabalho.
As quantidades de nions e ctions adsorvidos so iguais, j que a carga na interface
do lado da soluo tambm deve ser nula, somente no potencial de carga zero. A isoterma
de adsoro uma relao analtica que relaciona a quantidade adsorvida de um
componente em uma interface com a concentrao deste componente no meio da fase. A
isoterma de adsoro muito utilizada, mas devido aos diferentes tipos de interaes que
guiam a adsoro de diferentes espcies, no existe uma nica isoterma para todas as
situaes. Nas interfaces carregadas, como o caso das interfaces eletrodo/soluo, surge
um problema: a quantidade adsorvida depende do estado eltrico da interface que deve ser
especificado atravs do potencial ou mesmo a carga no eletrodo.
At o momento tratamos de adsoro de ons, principalmente nions, pois todas as
solues usadas em eletroqumica contm, em geral, uma considervel concentrao de
ons para torn-las condutoras. Entretanto, a adsoro de substncias neutras, dentre as
quais se inclui o solvente da soluo eletroltica, pode ter uma grande importncia na
definio das propriedades fsico-qumicas da interface eletrodo-soluo. Considerando
substncias neutras que se adsorvem sobre um eletrodo importante diferenciar dois
grupos: as que apresentam uma interao especfica com o material do eletrodo atravs de
foras de curto alcance e as que se adsorvem por ao de foras eletrostticas de longo
alcance. No caso dos ons, a adsoro de molculas neutras requer que o solvente seja
deslocado da superfcie do eletrodo. Se ambos os componentes da soluo, adsorbato e
solvente, comportam-se como dipolos, a adsoro relativa depender dos respectivos
momentos dipolares. O campo eltrico na interface eletrodo/soluo muito forte. Isso
provoca um deslocamento das cargas eltricas na molcula, sendo necessrio considerar o
momento dipolar efetivo, no campo eltrico, e no o momento dipolar permanente da
molcula isolada. Assumindo que o deslocamento de cargas na molcula seja proporcional
ao campo eltrico, e que sem dvida, uma aproximao por ser um campo muito forte,
possvel escrever o momento dipolar efetivo como soma de duas contribuies o momento
dipolar permanente mais o momento dipolar induzido pelo campo eltrico. Observemos
agora um comportamento atpico da gua usada como solvente na maioria das solues.
Para valores pequenos da densidade de carga no eletrodo, o momento dipolar efetivo da
molcula neutra predomina e esta se adsorve preferencialmente. Para cargas mais elevadas,
o momento dipolar efetivo da gua que predomina, e a gua se adsorve preferencialmente
[74].
A passagem de corrente eltrica atravs de uma interface eletrodo/soluo sempre
leva a uma reao eletroqumica atravs da qual reagentes transformam-se em produtos.
Para que esta reao ocorra, so necessrias vrias etapas bsicas: 1) a espcie reagente
deve aproximar-se da interface eletrodo/soluo, onde efetivamente ocorre a reao. 2) j
na superfcie, a espcie reagente envolve-se na reao de transferncia de carga,
transformando-se em produto. 3) simultaneamente, a carga eltrica envolvida no processo
deve ser transportada em direo ao outro eletrodo, garantindo assim a eletroneutralidade
da soluo eletroltica. Neste processo h uma corrente eltrica atravs do circuito externo e
uma corrente inica atravs da soluo.
A clula eletroltica utilizada para o nosso sistema de eletrodeposio, era composta
por um eletrodo de trabalho de cobre, eletrodo auxiliar de nquel quando depositamos
filmes de NiFe e eletrodo auxiliar de cobalto para depositar os filmes de NiFeCo. A soluo
eletroltica utilizada foi a mesma para a deposio das duas diferentes ligas. Sua
composio e seu preparo ser mostrado mais adiante.
Ento, aplicando uma corrente eltrica externa, ons positivos saem do eletrodo
auxiliar (nodo) e caminham pela soluo em direo ao eletrodo de trabalho (ctodo)
(figura 1.13). Sendo assim, ons positivos de nquel e ferro sero reduzidos no eletrodo de
trabalho, isto para filmes de NiFe, sendo que os ons de ferro so provenientes da soluo
eletroltica atravs de compostos dissolvidos, enquanto que os ons de nquel que alm de
estarem presentes na soluo, foram obtidos pela oxidao sofrida no eletrodo auxiliar. J
para filmes de NiFeCo, os ons de cobalto que sofreram oxidao no eletrodo auxiliar,
posteriormente se reduziram no eletrodo de trabalho e os ons positivos de ferro e nquel
dissolvidos em soluo sofreram reduo no eletrodo de trabalho.
2.2 Materiais Para a montagem da clula eletroltica utilizamos:
- Um bquer de 250 ml,
- Eletrodo de trabalho (substrato) de cobre polido,
- E
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