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Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XVI ENCITA / 2010 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, 20 de outubro de 2010

PRODUÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE LIGAS CERMET Mo-ALN e Mo-AL2O3

PARA APLICAÇÃO EM AMPOLAS CONVERSORAS DE ENERGIA SOLAR Thyago Santos Braga Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA End.: Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 - Vila das Acácias - CEP 12228-900 – São José dos Campos – SP – Brasil Universidade Braz Cubas – UBC Av. Francisco Rodrigues Filho, 1233 - Mogilar - Mogi das Cruzes/SP - Cep: 08773-380 Bolsista: CNPq e-mail: [email protected] e [email protected] Choyu Otani Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA End.: Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 - Vila das Acácias - CEP 12228-900 – São José dos Campos – SP – Brasil e-mail: [email protected] Argemiro Soares da Silva Sobrinho Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA End.: Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 - Vila das Acácias - CEP 12228-900 – São José dos Campos – SP – Brasil e-mail: [email protected] Marcos Massi Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA End.: Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 - Vila das Acácias - CEP 12228-900 – São José dos Campos – SP – Brasil e-mail: [email protected] Resumo: Entre as novas tecnologias da área energética destaca-se o estudo de materiais absorvedores de energia solar com melhor rendimento e eficiência cujo preparo e fabricação não degrade de forma nociva o meio ambiente. Dentre estes materiais temos as ligas cermets produzidas através da técnica magnetron sputering. No presente trabalho ligas de Mo-AlN e Mo-Al2O3 foram estudadas e produzidas com a técnica de magnetron sputering no Laboratório de Plasmas e Processos do ITA. Os intervalos de tempo utilizados para deposição em um substrato de vidro, foram de 60 e 30 minutos. Foram utilizados para a composição da liga metálica um alvo de alumínio com uma fita de molibdênio. Técnicas como EDS, MEV e perfilometria foram utilizadas para caracterização do filme. O método utilizado para deposição com a fita de molibdênio sobre o alvo de alumínio mostrou-se satisfatório produzindo filmes com 24,0% de molibidêno no filme de Mo-AlN. Os filmes de Mo-Al2O3 apresentaram-se mais homogêneos que os de Mo-AlN. A espessura dos filmes de Mo-AlN (30 min) é de 1168 Å e Mo-Al2O3 (60 min) de 1592 Å. A taxa de alumínio depositada no filme de Mo-AlN (deposição 30 min) foi maior que no filme de Mo-Al2O3, sendo 11,1% e 3,6% respectivamente. Estes resultados devem ser confirmados em trabalhos futuros com repetição de procedimentos para aquisição de dados estatisticamente validados. Palavras-Chave: Energia solar, ampolas, cermet,magnetron sputering.

1. Introdução

A energia solar, se captada e aproveitada de forma eficiente, apresenta valor surpreendente quando comparada com fontes convencionais de energia como a dos combustíveis fósseis, uma vez que a energia do sol que atinge a superfície da Terra, em 40 minutos, é calculada como sendo equivalente ao consumo de energia do mundo todo em um ano (Scientific American, 2008). Por isso, ampolas conversoras de energia solar, vêm sendo amplamente estudadas e utilizadas em países como China, Alemanha e EUA, principalmente por possuírem um melhor rendimento quando comparadas ao das placas planas convencionais aquecedoras de água (Morrison ,2001). Esta tecnologia representa uma das mais promissoras do século XXI e a taxa de crescimento esperado de aplicação é de dois dígitos para um futuro próximo (http://www.energy.siemens.com; Data: 26/07/2010).

Uma das evidências do crescimento da utilização da tecnologia de ampola conversoras de energia solar é o projeto SEGS (Solar Energy Generating Systems) iniciado pela empresa Luz International Ltda. realizado nos anos 80 que produziu a maior planta de energia solar do mundo. A planta fica localizada no deserto de Mojave na parte sul da Califórnia, e consiste de nove unidades construídas entre 1984 e 1991, que juntas possuem capacidade geradora de 354 MW (Kearney, 1989 e http://solar.calfinder.com; Data: 23/07/2010 e http://thefraserdomain.typepad.com/ Data: 23/07/2010)

Na figura 1 é apresentada uma foto ilustrativa da fazenda solar da SEGS (Kearney, 1989).

Anais do XVI ENCITA, ITA,20 de outubro de 2010 ,

Figura 1. Fazenda solar da SEGS localizada no deserto da Califórnia

Os materiais de que as ampolas são constituídas devem possuir características mais adequadas para a

finalidade de transferência de calor, por exemplo, os vidros utilizados devem ter maior transparência à radiação solar, a soldagem vidro-metal deve ser tal que permita obter maiores níveis de vácuo no interior da ampola. Um outro item de alta relevância a este conversor é o tubo absorvedor de radiação que deve apresentar ótimas características absorvedora de radiação, conversora de energia radiante em energia térmica e alto fluxo de escoamento energético ao líquido (óleo) receptor (SCHOTT Solar CSP GmbH, 2009). O tubo com esta camada é construído com composição de materiais, principalmente no tocante à característica da superfície absorvedora de radiação solar, via processo de deposição de filmes finos sobre material de alta resistência e baixo coeficiente de expansão térmica, como aço inoxidável.

Para deposição de filmes absorvedores sobre o tubo de aço, os métodos mais utilizados são: galvanoplastia, anodização; e eletroquímica (Abbas, 2000 e Y. Yin,2009)

Estas técnicas são em geral altamente prejudiciais ao meio ambiente, por gerarem efluentes químicos com altas cargas de metais pesados, além dos gases tóxicos, justificando os esforços na tentativa de geração de novas tecnologias para produção destas superfícies. Entre estas técnicas inovadoras destacam-se a do CVD (chemical vapour deposition), e a do magnetron sputtering (Y. Yin , 2009 e J.A. Thornton, 1994 e V. Teixeira, 1999), sendo a última a utilizada no presente trabalho.

A técnica de magnetrom sputtering é considerada vantajosa em relação a outras técnicas de produção de filmes finos por permitir a realização de processo com alta pureza química no produto e baixa emissão de poluentes, além da possibilidade de realizar deposição de filmes finos com alta homogeneidade em substratos com grandes áreas (Y. Yin , 2009 e J.A. Thornton, 1994 ).

Na unidade da SEGS, o tipo de material utilizado sobre o tubo de aço da ampola como absorvedor solar foi o cermet (liga cerâmica metal) Mo–Al2O3 pelo fato deste material possuir uma excelente estabilidade térmica quando operado a altas temperaturas (maiores que 400ºC) (Zhang, 2006 e M. Lanxner, 1990 e Nejati, 2008)

1.2. Ligas cermet As ligas cermets vem atraindo a atenção da comunidade cientifica desde a década de 50, quando Tabor estudou a aplicação do níquel negro para superfícies absorvedoras de energia solar (H. Z. Tabor, 1959). Para aplicações em superfícies absorvedoras de energia solar solar, como os tubos encontrados nas ampolas, as cermets geralmente consistem de nano partículas de metal (1-20nm) incorporadas em uma matriz de cerâmica (C. A. Arancibia-Bulnes, 2000). Estas ligas são depositadas sobre um substrato metálico e podem ser cobertas por uma camada anti reflexiva para a redução do índice de refração entre o ar e a camada absorvedora para uma melhora da absorção de radiação solar (J.A. Thornton,1994). No passado, o cermet mais utilizado como absorvedor era o cromo negro (black Chrome – Cr-Cr2O3) e o níquel pigmentado (Nickel pigmented Ni-Al2O3) (G. E. McDonald, 1975 e A. Andersson,1980). Além de apresentar um custo relativamente baixo para produção, quando comparadas aos outros materiais encontrados no mercado, estes materiais apresentam em média uma absorbância entre 0,92 e 0,96 para faixa importante da radiação solar, sendo portanto empregados em coletores solares planos. Entretanto, a emitância destas camadas é alta, aproximadamente 0,09 a 0,20 a 100ºC (Q. C. Zhang, 1999).


Nos dias de hoje, vários tipos de cermets com diferentes estruturas e composições são estudados e comercializados, sendo algumas exemplificadas na tabela 1 (J.A. Thornton,1994).

Tabela 1. Absorbância solar e emitância de algumas ligas cermets produzidas e comercializadas (J.A.Thornton,1994).

Uma outra estrutura cermet que merece destaque é composta de duas sub-camadas, proposta e sintetizada por Q.Zhang (Q. C. Zhang and D. R. Mills, 1992 e Q. C. Zhang, 1998 e Q. C. Zhang, 2000). As duas camadas de cermet, neste caso, possuem diferentes frações volumétricas de metais em sua constituição, uma delas é denominada de HMVF (high metal volume fraction) e outra de LMVF (low metal volume fraction) (J.A. Thornton, J.E., 1994). A camada de cermet é localizada entre a camada de metal refletora e a estrutura cerâmica anti-reflexiva, como esquematicamente exemplificado na figura 2 (J.A. Thornton, J.E., 1994).

(A) (B)

Figura 2. Na figura A é mostrado uma estrutura simples de cermet e na figura B é exemplificado uma camada dupla de cermet com uma camada anti-reflexiva (J.A. Thornton, J.E., 1994).

Cabe ressaltar, que esta estrutura composta de duas sub-camadas cermet possui uma eficiência photo térmica

maior que a cermet simples, ou seja, a que possui uma camada apenas. Na tabela 3 são apresentadas as propriedades ópticas de algumas das mais conhecidas camadas duplas e triplas de cermet (J.A. Thornton, J.E., 1994).


Tabela 2. Absorbância solar e emitância de alguns das cermets duplas e triplas (J.A. Thornton, J.E., 1994).

Como apresentado nas tabelas 1 e 2, grande parte dos filmes possuem compostos de alumínio em sua

constituição. Os filmes de compostos de alumínio são muito utilizados para produção de absorvedores de radiação solar, envolvendo tanto a área de células fotovoltaicas como as de absorvedores para aquecimento de água. Algumas das ligas cermet cujas composições químicas contém o elemento alumínio são: AlxOy

; M-AlN; Ni-Al2O3 (Sathiaraj. T.S,

1990 e Zhang.Q.C, 1998 e Barshilia. C.H; et.al, 2009). A aplicação de compostos de alumínio, como a alumina e o nitreto de alumínio, é ampla na área das ampolas

conversoras de energia solar como, por exemplo, temos as unidades da SEGS (Solar Electric Generating System) onde o tipo de material utilizado como absorvedor solar foi o cermet Mo–Al2O3, pelo fato deste material possuir uma excelente estabilidade térmica quando operado a altas temperaturas (maiores que 400ºC) (Q. C. Zhang, 1998). Estes filmes foram feitos em escala industrial pela empresa Luz Co de Israel na qual foram utilizados 7 alvos sendo 3 de molibdênio e 4 de Al2O3 (Zhang.Q.C, 1998 e M. Lanxner and Z. Elgat, 1990 e Nejati,M. 2008). Qi-Chu Zhang estudou uma camada de cermet de SS-AlN (stainless steel-aluminium nitride) nos tubos coletores solares da Himin Company obtendo uma absorbância solar de 0.94–0.96 e uma emitância esférica de 0.05–0.07 a 80°C (Zhang.Q.C, 2009). Outro trabalho de Zhang que merece destaque é o estudo por modelamento matemático da utilização da Mo-Al2O3, na qual o Al2O3 é utilizado como a camada anti-reflexiva do compósito (Zhang Q. C, 2006). Li Wei Zhu estudou as estruturas absorvedoras de compósitos de Al-Al2O3. Este cermet, depositado sobre substrato de Kapton pela técnica de magnetron sputtering DC mostrou atividade, tanto refletora, como anti-reflexiva de radiação infravermelha, com índice de absorção de 0,92 na região de 0.2~2.5 μm e emitância térmica de 0,07 na região de 2.5~25μm (Li Wei Zhu, et.al, 2008). Como podemos observar, os compostos de alumínio apresentam significativas contribuições na otimização das propriedades de um coletor de energia solar.

2.Metodologia Os ensaios realizados consistiram em deposições através da técnica de magnetron sputtering dos metais alumínio e molibdênio simultaneamente sobre substrato de vidro (10mm x 10mm x 2mm) em atmosferas de nitrogênio, oxigênio e oxigênio com argônio com tempos de 30 e 60 minutos. Todos os experimentos foram realizados no Laboratório de Plasmas e Processos (LPP) do ITA. 2.1. Deposição dos Filmes

O equipamento utilizado para deposição dos filmes de molibdênio e alumínio consiste de um sistema magnetron sputtering DC, composto por um porta-substrato e uma câmara de vácuo, onde se localiza o alvo utilizado (alumínio). O sistema de vácuo é composto por um conjunto de bombas difusora e mecânica de marca Edwards, que produz pressão de vácuo de fundo de até 9x10-6 Torr, que pode ser medido e monitorado por conjutno de medidores do tipo diafragma e catodo invertido. A Figura 3 apresenta uma foto ilustrativa do sistema de deposição utilizado.


Figura 3. Conjunto de equipamentos utilizado nas deposições dos filmes

Cabe ressaltar, que nestes ensaios para deposições dos metais alumínio e molibdênio simultaneamente, não

foram utilizados dois alvos, mas sim apenas um alvo o de alumínio. O molibidênio foi utilizado na forma de fita etálica colocada sobre o alvo de alumínio. Na figura 4 é apresentado em maior detalhe o sistema utilizado como alvo para a deposição de dois metais distintos simultaneamente.

Figura 4. Alvo de alumínio com o molibdênio em forma de fita metálica

As deposições foram feitas com o plasma formado por gases nitrogênio, oxigênio e argônio composto com oxigênio. Os gases foram injetados através de controladores de fluxo (MKS Mass Flow Controller). 2.2. Condições para deposição do filme de molibdênio e de alumínio sobre a atmosfera de nitrogênio e argônio composto nitrogênio

Durante o processo de deposição do filme de alumínio com molibdênio, foram fixados os seguintes parâmetros: Deposição 1

- Pressão de Fundo: 6,0x10-5 Torr. - Pressão de Trabalho: 6,0x10-3 Torr. - Potência DC: 150W. - Fluxo do gás (para deposição de alumínio): Nitrogênio, em 2,3 sccm. - Tempo de deposição: 30 minutos.

Deposição 2 - Pressão de Fundo: 6,0x10-5 Torr. - Pressão de Trabalho: 6,0x10-3 Torr. - Potência DC: 150W. - Fluxo do gás (para deposição de alumínio): Nitrogênio, em 2,3 sccm. - Tempo de deposição: 60 minutos.


2.3. Condições para deposição do filme molibdênio e alumínio sob plasma de oxigênio

Nestes ensaios foram realizados deposições com uso de oxigênio com gás de plasma (deposição 3) e 50% de argônio com 50% de oxigênio (deposição 4)

Deposição 3

- Pressão de Fundo: 6,0x10-5 Torr. - Pressão de Trabalho: 6,0x10-3 Torr. - Potência DC: 150W. - Fluxo do gás (para deposição de alumínio): Oxigênio, em 2,3 sccm. - Tempo de deposição: 60 minutos.

Deposição 4 - Pressão de Fundo: 6,0x10-5 Torr. - Pressão de Trabalho: 6,0x10-3 Torr. - Potência DC: 150W. - Fluxo do gás (para deposição de alumínio): Oxigênio, em 1,2 sccm e argônio em 1,2 sccm - Tempo de deposição: 30 minutos. 2.4. Técnicas de caracterização As técnicas de caracterização utilizadas no presente trabalho foram EDS, MEV e Perfilometria. As análises de EDS e MEV foram realizados no INPE com o equipamento “Microscópio Jeol, modelo JSM 5310” com a intensidade do feixe de 5kV varrendo uma área de 1 mm2. Já as análises de perfilometria foram feitas com o perfilometro mecânico “Alpha-Step 500 da Tencor” também no INPE. 3. Resultados Obtidos

Os resultados apresentados mostram as análises de EDS e MEV dos filmes obtidos através da deposição por sputtering. 3.1. Análise EDS do filme Mo-AlN Na figura 5 é apresentado o espectro do filme de Mo-AlN (deposição de 30min) e na figura 6 o espectro do filme de Mo-AlN (deposição de 60 min) sob as condições descritas no tópico 2.2 (deposição 1 e 2).

Nestes gráficos pode-se verificar a ocorrência dos picos EDS de molibdênio e de alumínio estudados no presente trabalho. Cabe ressaltar, que em ambos os filmes foi observado picos de nitrogênio, gás utilizado na produção do plasma.

Nas figuras 5 e 6, ou seja, para deposições de 30 e 60 minutos a quantidade de alumínio depositada foi maior que a de molibdênio, entretanto estes dados precisam ser melhor verificados com outras análises e técnicas de caracterização para uma afirmação mais segura e concreta destes valores.

A alta concentração de oxigênio presente no filme pode estar atrelada a fatores como a alta oxidação do alumínio presente no filme quando exposto ao ambiente fora da câmara de vácuo, e ao feixe de elétrons do EDS que pode ter alcançado o substrato de vidro, cuja composição química básica é a sílica (SiO2).


Figura 5. Espectro da análise de EDS do filme de Mo-AlN (deposição de 30min)

Figura 6. Espectro da análise de EDS do filme de Mo-AlN (deposição de 60min)

Nas tabelas 3 e 4 são apresentados os valores em porcentagem dos elementos encontrados no filme através da técnica de EDS. A taxa de deposição de molibdênio e de alumínio do filme de 60 minutos da tabela 4 indica ser maior (5,9% e 15,1% respectivamente) neste filme, em relação à taxa do filme de 30 minutos da tabela 4 (5,3% e 24,1%), enquanto que a porcentagem de oxigênio encontrada no filme da deposição 1 (70,2%) é maior que a do filme da deposição 2 (52,4%). Em ambos os filmes tem-se o nitrogênio (12,7% e 26,6%) utilizado para a deposição. Os valores quantitativos serão estudados com mais detalhes no decorrer do trabalho com a utilização de outras técnicas de caracterização complementares.

Tabela 3. Mo-AlN (Deposição 1 – 30 minutos)

Elemento Atom % Elemento (Peso %) Mo-L 5,3 24,1 Al-K 11,1 14,1 Si-K 0,7 0,9 O –K 70,5 52,6 N –K 12,7 8,3 Total 100,0 100,0


Tabela 4. Mo-AlN (Deposição 2 – 60 minutos)

Elemento Atom % Elemento (Peso %) Mo-L 5,9 26,0 Al-K 15,1 18,6 Si-K 0.0 0.0 O –K 52,4 38,4 N –K 26,6 17,0 Total 100.0 100.0

3.2. Análise EDS do filme Mo-Al2O3

Neste tópico é apresentado o resultado da análise por EDS do outro filme de Mobidênio-Alumínio obtido com utilização da atmosfera de oxigênio e de argônio, como descrito no tópico 2.3.

Novamente, são constatados nestes gráficos os picos de molibdênio e de alumínio, mostrando a validade do método utilizado para deposição, ou seja, ambos os materiais estudados foram encontrados nas análises, também quando utilizado o oxigênio como gás de plasma.

A intensidade de pico do oxigênio presente nestas amostras foi maior que a apresentada pelas amostras produzidas com plasma de nitrogênio, como esperado. A detecção do pico de oxigênio em filmes produzidos sem a presença deste elemento é tentativamente explicada como sendo devido à interferência do substrato que no caso foi vidro.

Nas figuras 7 e 8, a quantidade de alumínio depositada foi maior do que a de molibdênio para deposições de 60 minutos.

O silício novamente é encontrado nestas análises podendo ter relação com o substrato de vidro utilizado para as deposições dos filmes.

Figura 7. Espectro da análise de EDS do filme de Mo-Al2O3 (deposição de 60min)


Figura 8. Espectro da análise de EDS do filme de Mo-Al2O3 (deposição de 30min) com 50% de argônio e 50% de oxigênio

Nas tabelas 5 e 6 é mostrado os valores em porcentagem dos elementos encontrados nos filmes. A

concentração de molibdênio na deposição 4 (0,8%) foi aproximadamente duas vezes e meia maior que do filme da deposição 3 (0,3%). Entretanto, a taxa de deposição de alumínio no experimento 3 (4,2%) foi maior que a taxa do experimento 4 (3,6%). Em ambos os filmes a porcentagem de oxigênio encontrada foi novamente alta quando comparado com o filme obtido com plasma de nitrogênio. Como citado anteriormente, estes valores também serão estudados e confirmados com maior precisão no decorrer do trabalho com a utilização de outras técnicas de caracterização.

Tabela 5. Mo-Al2O3 (Deposição 3 – 60 minutos)

Elemento Atom % Elemento (Peso %) Mo-L 0,3 1,8 Al-K 4,2 6,5 Si-K 7,5 11,9 O -K 88,0 79,8 Total 100,0 100,0

Tabela 6. Mo-Al2O3 (Deposição 4 – 30 minutos) Elemento Atom % Elemento (Peso %)

Mo-L 0,8 4,4 Al-K 3,6 5,4 Si-K 7,1 11,1 O -K 88,5 79,1 Total 100,0 100,0

3.3. Análise MEV do filme de Mo-AlN (deposição de 30min e 60min)

Nas figuras 9A, 9B (30min de deposição), 10A e 10B (60min de deposição) são apresentadas as micrografias obtidas por Microscópio Eletrônica de Varredura (MEV) das amostras de filmes de Mo-AlN depositados sobre as condições descritas no tópico 2.2.

Pequenos pontos e manchas brancas são observadas nas imagens do filme de Mo-AlN, como podem ser visualizados no exemplo apresentado na figura 9A. Estas formações foram atribuidas às imperfeições do vidro e/ou pós de materiais contaminantes depositadas sobre a amostra após a produção do filme. Ainda na figura 9A, são encontrados algumas elevações com formato semiesférico sobre o filme. Para uma melhor visualização destas elevações uma micrografia com 7500x (figura 9B) foi obtida para esta área.

Na figura 10A (filme de 60 min) também é encontrado pontos e manchas brancos atribuidas às imperfeições do vidro e/ou pós de materiais contaminantes depositadas sobre a amostra.


(A) (B)

Figura 9. MEV do filme de Mo-AlN (deposição de 30min)

(A) (B) (C)

Figura 10. MEV do filme de Mo-AlN (deposição de 60min) Os relevos semicirculares presentes nas figuras 9A, 9B, 10A e 10B possuem em média um arco maior (diâmetro) próximo a 0,74μm como mostrado na figura 10C. Uma hipótese sobre a constituição destes pontos é que eles sejam aglomerados de molibdênio depositado, entretanto para uma afirmação mais precisa uma análise mais detalhada dos pontos será realizada em trabalhos futuros.

3.4. Análise MEV do filme de Mo-Al2O3 (deposição de 30min e 60min)

Nas figuras 11A, 11B, 12A, 12B, 13A, 13B e 14 são apresentadas as micrografias dos filmes de Mo-Al2O3 depositados sobre as condições descritas no tópico 2.3.

Os pontos de relevo são apresentados em grande quantidade e com distribuição relativamente uniforme sobre todo o campo de observação da figura 11A. Um análise comparativa entre micrografias da figura 11B em relação à figura 10B (aumento de 10000X), mostra claramente a ocorrência em maior número de relevos semicirculares na amostra produzida pelo processo 2.3


(A) (B)

Figura 11. MEV do filme de Mo-Al2O3 (deposição de 60min)

Na figura 12A é mostrada a grande quantidade de pontos formados sobre este filme quando comparados com

as ocorrências observadas na figura 9B, entretanto as dimensões destes pontos são menores que os da figura 10C, fato observado na figura 12B.

(A) (B)

Figura 12. MEV do filme de Mo-A2O3 (deposição de 60min)

Os filmes de Mo-Al2O3, depositados em 30 minutos, da figura 13A (1000X), aparentemente, são idênticos ao da figura 9A Entretanto, ao observar as micrografias com maior resolução (10000X) verifica-se que a quantidade de esferas semicirculares da figura 11B (82 semiesferas) é maior que a quantidade de esferas da figura 13B (56 semi esferas).

As micrografias das figuras 13B e 13C mostram características de distriuição e relevos muito próxima da dos filmes das figuras 11B e 12A.

(A) (B) (C) Figura 13. MEV do filme de Mo-A2O3 (deposição de 30min)


3.4. Análise de espessura dos filmes por perfilometria Na tabela 7 é mostrado os resultados de perfilometria de três diferentes áreas dos filmes estudados:

Tabela 7. Espessura dos filmes estudados

Filme: Mo-AlN Tempo de deposição:

60 minutos

Filme: Mo-AlN Tempo de deposição:

30 minutos

Filme: Mo-Al2O3 Tempo de deposição:

60 minutos 2612 Å 1011 Å 1980 Å 1924 Å 1232 Å 1592 Å 1717 Å 1168 Å 1195 Å

Não foi possível até a emissão do presente relatório a realização da análise perfilométrica no Mo-Al2O3

depositado por tempo de 30 minutos.

4. Conclusão

O método utilizado para deposição com a fita de molibdênio sobre o alvo de alumínio foi satisfatório para obtenção dos filmes de Mo-Al2O3 e Mo-AlN.

Para as análises encontradas através da técnica de EDS a taxa de molibdênio depositado no filme Mo-AlN (deposição 30 minutos) foi seis vezes maior que a taxa do mesmo material no filme de Mo-Al2O3 , também com 30 minutos de deposição (24,1% e 4,4% respectivamente). Entretanto, estes valores serão estudados e confirmados no decorrer com mais detalhes e precisão no decorrer do trabalho, com a utilização de outras técnicas de caracterização mais específicas para análises quantitativas da composição de cada elemento do filme.

A taxa de alumínio depositada no filme de Mo-AlN (deposição 30 minutos) foi maior que a taxa de deposição no filme de Mo-Al2O3 (11,1% e 3,6% respectivamente)..

A taxa de oxigênio no filme depositado em 60 minutos de Mo-Al2O3 foi maior que a taxa de oxigênio no filme

de Mo-AlN (79,8% e 38,4% respectivamente).

Uma alta oxidação dos filmes pode estar relacionada com a retirada do material da câmara de vácuo para o porta amostra e ao feixe de elétrons do EDS ter alcançado o substrato de vidro, uma vez que, o silício também foi encontrado na análise. Este fator implica que implica que para trabalhos posteriores uma metodologia mais cuidadosa e detalhada deverá ser realizada.

A espessura dos filmes de Mo-AlN (30 min) e Mo-Al2O3 (60 min) foram mais homogêneas do que a do filme

de Mo-AlN (60 min).

As distribuições de relevos observados nos filmes das figuras 11A e 11B e 12A e 12B (60 min) apresentam-se similares em relação aos filmes das figuras 13A e 13B e 13C (30 min)

Como observado o trabalho é o início de um estudo na qual técnicas como Raio-x, FTIR, Perfilometria entre

outras, deverão ser estudadas e realizadas nos filmes para afirmações e uma análise mais detalhada das características e composição do filme estudado.

5. Agradecimentos

Ao CNPq por ter dado suporte financeiro a este trabalho;

A aluna de doutorado Sara Fissmer pela ajuda com o equipamento de deposição, com as técnicas de deposição

e com as análises de perfilometria.

A toda equipe do Laboratório de Plasmas e Processos do Departamento de Física do ITA;


10. Referências bibliográficas

Scientific American – Brasil – ano 6 – nº 69 – Tema: Energia Solar - Fevereiro 2008 Morrison. G.L.; Budihardjo,M; Behnia, M. Water-in-glass evacuated tube solar water heaters. School of Mechanical and Manufacturing Engineering, University of New South Wales, Sydney 2052, Australia, 2001. Fonte: http://www.energy.siemens.com/hq/en/power-generation/renewables/solar-power/concentrated-solar-power.htm - Data: 26/07/2010 ; Horário: 14:52h Kearney,D. Solar Electric Generating Stations (SEGS). Luz International Limited, IEE Power Engineering Revew, Los Angeles, California, August 1989. Fonte: Nationwide Home Solar Power Contractors and Information - http://solar.calfinder.com/blog/news/worlds-largest-solar-plant-segs/ - Data: 23/07/2010; horário: 15:53h Fonte: The Energy Blog: About Parabolic Trough Solar - http://thefraserdomain.typepad.com/energy/2005/09/about_parabolic.html - Data: 23/07/2010; horário: 15:53h Catálogo de produto: SCHOTT PTR®70 Receiver The Next Generation - new absorber coating – innovative glass-to-metal seal patented bellow design – unique quality assurance system - D 2009 SCHOTT Solar CSP GmbH. Abbas A. Solchrome solar selective coating—an effective way for solar water heaters globally. Renew Energy 2000;19:145–54. Y. Yin , Y. Pan, L.X. Hang, D.R. McKenzie, M.M.M. Bilek Direct current reactive sputtering Cr–Cr2O3 cermet solar selective surfaces for solar hot water applications. J.A. Thornton, J.E. Greene, in: R.F. Bunshah ŽEd.., Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings, 2nd,ciência completa Noyes, Park Ridge, NJ, 1994. p. 294 V. Teixeira, Deposition of Mo_Al2O3 cermet spectrally selective films by magnetron sputtering, Proceedings of RIVA IV. 4th Iberian Meeting on Vacuum and Applications, Avila, Spain, Vacuum, in press. Zhang.Q.C. Metal-AlN cermet solar selective coatings deposited by direct current magnetron sputtering technology. 1998 J. Phys. D: Appl. Phys. 31 355. Department of Applied Physics, The University of Sydney, NSW 2006, Australia. M. Lanxner and Z. Elgat, Solar selective absorber coating for high service temperatures, produced by plasma sputtering. SPIE 1272 (1990) 240. Nejati,M. Cermet based solar selective absorbers; further selectivity improvement and developing new fabrication technique. Dissertation zur Erlangung des Grades des Doktors der Ingenieurwissenschaften der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät III Chemie, Pharmazie, Bio- und Werkstoffwissenschaften der Universität des Saarlandes; Saarbrücken, 2008 H. Z. Tabor, Receiver for solar energy collectors, Israel 2917817, 1959 C. A. Arancibia-Bulnes, C. A. Estrada and J. C. Ruiz-Suarez. Solar absorptance and thermal emittance of cermets with large particles. J.Phys. D: Appl. Phys. 33 (2000) 2489-2496. G. E. McDonald, Spectral reflectance properties of black chrome for use as a solar selective coating. Solar Energy 17, (1975) 119-122. A. Andersson, O. Hunderi and C. G. Granqvist, Nickel pigmented anodic aluminum oxide for selective absorption of solar energy. J. Appl. Phys. 51 (1980) 754-764.


Q. C. Zhang, K. Zhao, B. C. Zhang, L. F. Wang, Z. L. Shen, D. Q. Lu, D. L. Xie and B. F. Li, High performance Al-N cermet solar coatings deposited by a cylindrical direct current magnetron sputter coater. J. Vac. Sci. Technol. 17 (1999) 2885-2890. Q. C. Zhang and D. R. Mills, High solar performance selective surface using bi- sublayer cermet film structures. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 27 (1992) 273-290. Q. C. Zhang, K. Zhao, B. C. Zhang, L. F. Wang, Z. L. Shen, Z. J. Zhou, D. Q. Lu, D. L. Xie and B. F. Li, New cermet solar coatings for solar thermal electricity applications. Solar Energy 64 (1998) 109-114 Q. C. Zhang and D. R. Mills, New cermet film structure with much improved selectivity for solar thermal applications. Appl. Phys. Letter 60 (1992) 545-547. Q. C. Zhang, Recent progress in high temperature solar selective coatings. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 62 (2000) 63-74. Sathiaraj. T.S, Thangaraj. R, Agnihotri. P. High absorptance and low emittance m-coated Ni-Al2O3 solar absorbers. 1990 J. Phys. D: Appl. Phys. 23 250. Department of Physics, Indian Institute of Technology, New Delhi 110016, India Zhang.Q.C. Metal-AlN cermet solar selective coatings deposited by direct current magnetron sputtering technology. 1998 J. Phys. D: Appl. Phys. 31 355. Department of Applied Physics, The University of Sydney, NSW 2006, Australia Barshilia. C.H, et.al. Optical properties and thermal stability of pulsed – sputter –deposited AlxOy/Al/ AlxOy multilayer absorber coatings. Volume 93, Issue 3, March 2009, Pages 315-32 Surface Engineering Division, National Aerospace Laboratories, Bangalore 560 017, India Zhang.Q.C. Development of SS-Aln Cermet Solar Collector Tubes. Proceedings of ISES World Congress 2007 (Vol. I – Vol. V) Solar Energy and Human Settlement. Pages 1847-1853. August 13, 2009 [30] Zhang Q. C. ; Yin Y. ; Mills D. R. High efficiency Mo---Al2O3 cermet selective surfaces for high-temperature application. School of Physics, The University of Sydney, Sydney, NSW 2006, Australie Li Wei Zhu, et.al. A New Solar Selective Absorbing Structure of Al-Al2O3 Cermet Composite Films by Pulsed Direct Current Magnetron Sputtering. Advanced Materials Research (Volumes 53 - 54). July, 2008

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