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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – USP
FFCLRP – DEPARTAMENTO DE FÍSICA E MATEMÁTICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA APLICADA À
MEDICINA E BIOLOGIA
Ligas magnéticas NiFe e NiFeCo eletrodepositadas, voltadas
para aplicações em micro-sensores magnéticos tipo fluxgate
planar
Thais Cavalheri dos Santos
RIBEIRÃO PRETO – SP
2007
Dissertação apresentada à Faculdade de
Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto
da USP, como parte das exigências para a
obtenção do título de Mestre em Ciências.
Área: Física Aplicada à Medicina e Biologia.
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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO – USP
FFCLRP – DEPARTAMENTO DE FÍSICA E MATEMÁTICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA APLICADA À
MEDICINA E BIOLOGIA
Ligas magnéticas NiFe e NiFeCo eletrodepositadas, voltadas
para aplicações em micro-sensores magnéticos tipo fluxgate
planar
Thais Cavalheri dos Santos
Orientador: Prof. Dr. Marcelo Mulato
RIBEIRÃO PRETO – SP
2007
Dissertação apresentada à Faculdade de
Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto
da USP, como parte das exigências para a
obtenção do título de Mestre em Ciências.
Área: Física Aplicada à Medicina e Biologia.
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“Words, words, words”
Shakespeare
Dedico este trabalho à minha mãe e à minha avó,
que continuam a olhar por mim e ao meu marido
Ton, sempre presente.
Agradecimentos
Primeiramente a Deus, por todo cuidado e dedicação para com a minha vida.
A minha irmã Lílian e meus sobrinhos Thiago e Maria Luiza pela paciência nos momentos
de stress.
Ao meu primo e irmão Jô por ter me socorrido em todos os momentos difíceis e pelas
infinitas risadas.
Aos meus pais postiços Tia Té e Tio Waltinho por todo amor e paciência em ouvir minhas
histórias e me ajudar com meus problemas.
Aos meus verdadeiros amigos do laboratório: Júlio, Gláucio, Ademar, Zé Fernando, Naty e
Mudim.
As minhas amigas de ontem, hoje e sempre: Raquel, Manoella, Gabriela, Nicole, Flávia e
Fernanda.
A Midori pelas medidas de magnetização e pela amizade principalmente.
Ao professor e amigo Marcelo Mulato, pela sua compreensão nos momentos difíceis em
que passei na minha vida durante o mestrado.
Ao ex-técnico Luciano pelas medidas de EDS e MEV.
Aos técnicos Aziani, Carlão, Élcio e Marcílio pela ajuda no desenvolvimento experimental
da minha pesquisa.
Ao CNPq pelo apoio financeiro.
Resumo
O presente trabalho trata da obtenção de ligas de NiFe de NiFeCo sob a forma de
filmes finos e também no seu uso na tentativa em se construir um sensor magnético tipo
fluxgate planar. A técnica de produção utilizada foi a eletrodeposição com regime
galvanostático. A solução eletrolítica utilizada era constituída por sais de níquel e ferro e
alguns aditivos. Para depositar os filmes de NiFe, o eletrodo auxiliar era constituído de
níquel; enquanto que para depositar os filmes de NiFeCo, o eletrodo auxiliar era constituído
de cobalto. Os filmes foram depositados em substratos de cobre utilizando densidades de
corrente no intervalo de 4 até 28 mA/cm
2
, com tempos totais de 40 e 60 minutos.
A caracterização morfológica foi realizada utilizando Microscopia Eletrônica de
Varredura superficial e de seção lateral e para encontrarmos a composição dos elementos
presentes na amostra, realizamos a Espectroscopia de Energia Dispersiva e Difração de
Raios-X. Quanto à caracterização magnética foi utilizado o Magnetômetro de Amostra
Vibrante e também 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 orientações cristalinas ao longo dos planos (110) e
(200); as quantidades de níquel e ferro atingem valores constantes a partir da densidade de
corrente de 15 mA/cm
2
(embora sempre haja mais níquel que ferro); o ponto de menor
coercividade magnética (58,4 A/m) também ocorre a partir dessa densidade de corrente,
onde filmes com 1 µm de espessura são conseguidos para um tempo total de 40 minutos.
Nota-se uma assimetria para os campos aplicados perpendicular e paralelamente à
superfície do filme. Os filmes de NiFeCo crescem com orientações ao longo dos planos
(111) e (200). Embora sempre haja mais níquel (constante em 70%), as concentrações de Fe
e Co se igualam apenas para uma densidade de corrente próxima de 15mA/cm
2
. Abaixo
desse valor há mais ferro, e acima mais Co. A partir dessa densidade de corrente,
novamente observa-se um mínimo no valor da coercividade magnética 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 µm de espessura são
obtidos para um tempo de 40 minutos. Uma menor assimetria magnética é observada
comparada com o caso anterior. Por esses dados, acreditamos que o filmes de NiFeCo seja
um melhor candidato para a confecção do sensor planar tipo fluxgate, e testes iniciais de
sua fabricação também são 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: NiSO
4
(0,7 mol/l); NiCl
2
(0,02 mol/l); FeSO
4
(0,03 mol/l); H
3
BO
3
(0,4 mol/l)
and C
7
H
5
O
3
NS.2H
2
O (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/cm
2
, 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/cm
2
(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
µm-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/cm
2
, where the
minimum coercivity of 81A/m is achieved. For higher current densities the coercivity
remains constant. For the current density of 15mA/cm
2
, 6 µm-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.
Índice
Índice de Figuras ................................................................................................... I
Índice de Tabelas ................................................................................................. VII
Capítulo 1 – Introdução
1.1 – Importância de se medir campos magnéticos ........................................... 1
1.1.1 – Em todas as áreas .............................................................................. 5
1.1.2 – Em física médica ................................................................................ 6
1.2 – Tipos de medidores e faixas de medidas analisando custo-benefício ...... 8
1.2.1. - Bobina de indução ....................................................................... 9
1.2.1.1 – Antena em anel com núcleo 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 técnicas de deposição para ligas metálicas ferromagnéticas que constituem
o núcleo do sensor............................................................................ 19
Capítulo 2 - Eletrodeposição e Técnicas de Caracterização
2.1 – Processo de eletrodeposição ...................................................................... 24
2.2 – Materiais .................................................................................................... 31
2.2.1 – Solução eletrolítica ...................................................................... 32
2.2.2 – Eletrodo de trabalho .................................................................... 33
2.2.3 – Eletrodo auxiliar ......................................................................... 34
2.3 – Técnicas de Caracterização ...................................................................... 35
2.3.1 – Difração de Raio –X .................................................................... 36
2.3.2 – Microscopia Eletrônica 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 – Magnetômetro de Amostra Vibrante (MAV) ........................... 44
Capítulo 3 - Resultados e Discussões – Ligas de NiFe
3.1 – Caracterização do Processo ....................................................................... 47
3.2 – Caracterização estrutural .......................................................................... 50
3.2.1 – MEV superficial ........................................................................... 50
3.2.2 – Espectroscopia de Energia Dispersiva ........................................ 52
3.2.3 – Raios–X ........................................................................................ 55
3.3 – Caracterização Magnética ......................................................................... 60
3.3.1 – Caracterização magnética com o campo aplicado em paralelo .. 61
3.3.2 - Caracterização magnética com o campo aplicado em perpendicular 63
Capítulo 4 - Resultados e Discussões – Ligas de NiFeCo
4.1 – Caracterização do Processo ...................................................................... 69
4.1.1 – Massa do filme em função da densidade de corrente .................. 69
4.1.2 – Massa do filme em função do tempo ........................................... 70
4.1.3 – Taxa de deposição de massa em função da densidade de corrente 71
4.1.4 – Espessura do filme em função densidade de corrente ................. 72
4.2 – Caracterização estrutural .......................................................................... 75
4.2.1 – Microscopia Eletrônica de Varredura superficial ...................... 75
4.2.2 – Microscopia Eletrônica de Varredura lateral ............................. 78
4.2.3 – Espectroscopia de Energia Dispersiva ........................................ 83
4.2.4 – Raios – X ...................................................................................... 85
4.3 – Caracterização Magnética ......................................................................... 93
4.3.1 – MSQUID ...................................................................................... 93
4.3.1.1 – Caracterização magnética com o campo aplicado em paralelo 93
4.3.1.2 - Caracterização magnética com o campo aplicado em perpendicular 95
4.3.2 – Magnetômetro de Amostra Vibrante ........................................... 99
4.3.2.1 – Caracterização magnética com o campo aplicado em paralelo 99
4.3.2.2 – Caracterização magnética com campo aplicado em perpendicular 102
Capítulo 5 - Comparação entre a liga NiFe e NiFeCo
5.1 – Caracterização do processo ....................................................................... 108
5.2 - Caracterização estrutural ........................................................................... 109
5.2.1 – Microscopia Eletrônica de Varredura superficial ....................... 109
5.2.2 – Microscopia Eletrônica de Varredura lateral ............................. 110
5.2.3 – Espectroscopia de Energia Dispersiva ........................................ 110
5.2.4 – Difração de Raios – X ................................................................. 111
5.3 - Caracterização Magnética .......................................................................... 111
Capítulo 6 - Micro-sensor planar
6.1 – Construção do micro-sensor planar .......................................................... 113
6.2 – Simulação da quantidade de espiras em uma bobina .............................. 115
6.3 – Fabricação do sensor macroscópico ......................................................... 117
6.4 – Montagem eletrônica do sensor ............................................................... 120
Capítulo 7 – Conclusões
7.1 – Caracterização do processo ....................................................................... 123
7.2 - Caracterização 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 - Caracterização Magnética ......................................................................... 125
7.4 – Considerações finais .................................................................................. 125
Capítulo 8 – Referências .............................................................. 126
Índice de Figuras
Figura 1.1: Curva de histerese de um filme de NiFeCo depositado com uma densidade de
corrente de 4 mA/cm
2
com o campo externo aplicado em paralelo à amostra. Os eixos y e x
correspondem respectivamente à normalização da magnetização pela magnetização de
saturação e intensidade do campo externo aplicado
Figura 1.2: Gráfico dos campos magnéticos emitidos em função da freqüência [22]
Figura 1.3: Gráfico de comparação entre as faixas de medidas dos vários tipos de sensores
magnéticos
Figura 1.4: A bobina de indução consiste em um solenóide, podendo ou não possuir um
núcleo ferromagnético. a) antena em anel com núcleo de ar; b) antena solenoidal com
núcleo ferromagnético
Figura 1.5: Uma voltagem V dá origem a uma corrente I na direção positiva de x. A
resitência ôhmica é V / I. Um campo magnético na direção positiva z deflete os portadores
de carga positiva na direção negativa de y. Isto gera um potencial de Hall (V
H
) e uma
resitência de Hall (V
H
/ I ) na direção de y
Figura 1.6: Esquema ilustrativo de um sensor magnetoresistivo. a) Sem aplicação de campo
magnético externo, o material apresenta resistência R
1
. b) Aplicando um campo magnético
externo, o material passa a ter uma resistência R
2
menor que R
1
Figura 1.7: a) configuração Schonstedt e b) configuração ring core
Figura 1.8: O campo de excitação de um fluxgate condiciona alternadamente o núcleo à
saturação positiva e negativa, chaveando a permeabilidade do núcleo entre um e um grande
valor duas vezes a cada ciclo. A figura acima é ilustrativa da variação do fluxo magnético,
da permeabilidade e do sinal de tensão no sensor em função do campo de excitação
Figura 1.9: Uma corrente alternada i(t) passando pela bobina primária gera um campo H(t)
que realiza todo ciclo de histerese. Quando o núcleo é saturado duas vezes durante um
período na curva de magnetização,
ε
(t) deve ser uma função periódica com freqüência duas
vezes maior que a do sinal de excitação i(t). Não havendo campo externo aplicado ao
dispositivo, a simetria do sensor faz com que nenhum sinal apareça nos terminais da bobina
de detecção
Figura 1.10: Esquema ilustrativo do sensor fluxgate tipo planar
Figura 1.11: Esquema de uma evaporadora por feixe de elétrons [56]
Figura 1.12: Esquema de um sputtering DC [56]
Figura 1.13: Esquema de uma célula eletrolítica
Figura 2.1: Esquema de uma célula eletrolítica
Figura 2.2: Fotos ilustrativas do circuito utilizado para a eletrodeposição e a solução
eletrolítica respectivamente
Figura 2.3: Raios-X produzidos em níveis atômicos [79]
Figura 2.4: Representação esquemática 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/cm
2
por um tempo de 40 minutos
Figura 2.6: Variação da magnetização de material magnético com o campo magnético
externo aplicado. (a) Região de deslocamentos reversíveis dos domínios magnéticos; (b)
Região dos deslocamentos irreversíveis dos domínios magnéticos; (c) Região de saturação
do material (rotações dos domínios)
Figura 2.7: Estrutura dos domínios magnéticos numa barra de material ferromagnético,
submetida a um campo magnético externo. (a) Região de deslocamentos reversíveis dos
domínios magnéticos; (b) Região dos deslocamentos irreversíveis dos domínios
magnéticos; (c) Região de saturação do material
Figura 2.8: Curva de histerese de um material magnético
Figura 2.9: Esquema ilustrativo de um MAV [85]
Figura 2.10: Arranjos de bobinas de detecção usadas no MAV
Figura 3.1: Densidade de massa do filme de NiFe em função da densidade de corrente
Figura 3.2: Taxa de deposição do filme de NiFe em função da densidade de corrente
Figura 3.3: Espessura calculada pelo Método Gravimétrico em função da densidade de
corrente
Figura 3.4: Taxa de crescimento da espessura em função 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
função da densidade de corrente
Figura 3.7: Quantidade de elementos em porcentagem presentes nos filmes de NiFe em
função do tempo de deposição para uma densidade de corrente de 14 mA/cm
2
Figura 3.8: Difração de raios-X para o substrato de eletrodo de cobre e difração de raios-X
para todas as densidades de correntes, nos mostrando intensidade do pico em função do
ângulo de difração
Figura 3.9: Gráfico das difrações de raios-X para todas as densidades de corrente
Figura 3.10: Gráfico da área integrada do pico (111) referente ao substrato
Figura 3.11: Gráfico da área integrada do pico (110) referente ao filme de NiFe
Figura 3.12: Razão da área integrada do pico (110) referente ao filme de NiFe e da área
integrada do pico (111) referente ao substrato de cobre
Figura 3.13: Gráfico da área integrada do pico (200) referente ao substrato
Figura 3.14: Gráfico da área integradado pico (200) referente ao filme de NiFe
Figura 3.15: Razão da área integrada do pico (200) referente ao filme de NiFe e da área
integrada do pico (200) referente ao substrato de cobre
Figura 3.16: Gráfico do tamanho do grão em função da densidade de corrente
Figura 3.17: Gráficos da magnetização normalizada em função do campo magnético
aplicado pelo MAV paralelamente às amostras
Figura 3.18: Gráficos da magnetização normalizada em função do campo magnético
aplicado pelo MAV perpendicularmente às amostras
Figura 3.19: Gráfico da coercividade magnética de todos os filmes em função da densidade
de corrente, comparando as medidas com campo aplicado em paralelo e
perpendicularmente
Figura 3.20: Magnetização de saturação em função da densidade de corrente para o campo
aplicado em paralelo e em perpendicular em relação ao filme utilizando o MAV
Figura 4.1: Gráfico da densidade de massa do filme de NiFeCo em função da densidade de
corrente de deposição para filmes depositados por 40 minutos comparados com filmes
depositados por 60 minutos
Figura 4.2: Gráfico da densidade de massa do filme de NiFeCo em função do tempo de
deposição em minutos para duas diferentes densidades de corrente
Figura 4.3: Taxa de deposição de massa do filme da liga ternária NiFeCo em função 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 função da densidade de corrente
para filmes depositados por 40 minutos
Figura 4.5: Taxa de crescimento da espessura do filme em função 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/cm
2
Figura 4.7: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 8 mA/cm
2
Figura 4.8: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 12 mA/cm
2
Figura 4.9: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 14 mA/cm
2
Figura 4.10: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 16 mA/cm
2
Figura 4.11: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 20 mA/cm
2
Figura 4.12: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 24 mA/cm
2
Figura 4.13: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 28 mA/cm
2
Figura 4.14: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade
de corrente de 4mA/cm
2
Figura 4.15: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade
de corrente de 8 mA/cm
2
Figura 4.16: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade
de corrente de 12 mA/cm
2
Figura 4.17: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade
de corrente de 14 mA/cm
2
Figura 4.18: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade
de corrente de 16 mA/cm
2
Figura 4.19: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade
de corrente de 20 mA/cm
2
Figura 4.20: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade
de corrente de 24 mA/cm
2
Figura 4.21: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade
de corrente de 28 mA/cm
2
Figura 4.22: Esquema ilustrativo do substrato mais filme tencionado por expansão
Figura 4.23: Gráfico comparativo da espessura dos filmes em função da densidade de
corrente
Figura 4.24: Gráfico da porcentagem de Ni, Fe e Co em função da densidade de corrente
que depositamos o filme
Figura 4.25: Gráficos da intensidade em função do ângulo de espalhamento para as oito
diferentes densidades de corrente
Figura 4.26: Gráfico da intensidade em função do ângulo de espalhamento dos picos para
as diferentes densidades de corrente, iniciando para densidade de corrente de 4 mA/cm
2
até
a densidade de 28 mA/cm
2
(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 à liga metálica
Figura 4.27: Intensidade dos picos relacionados com o filme de NiFeCo em função da
densidade de corrente
Figura 4.28: Área integrada do pico (111) referente ao substrato
Figura 4.29: Área integrada do pico (111) referente ao filme
Figura 4.30: Razão da área integrada do pico (111) referente ao filme de NiFeCo e da área
integrada do pico (111) referente ao substrato de cobre
Figura 4.31: Razão da área integrada do pico (200) referente ao filme de NiFeCo e da área
integrada do pico (200) referente ao substrato de cobre
Figura 4.32: Gráfico do tamanho do grão cristalino em função da densidade de
corrente
Figura 4.33: Gráficos da magnetização normalizada em função do campo magnético
aplicado pelo MSQUID paralelamente à superfície da amostra
Figura 4.34: Gráficos da magnetização normalizada em função do campo magnético
aplicado pelo MSQUID perpendicularmente à superfície das amostras
Figura 4.35: Gráfico da coercividade magnética de todos os filmes em função da densidade
de corrente, comparando as medidas com o campo aplicado em paralelo e
perpendicularmente para o MSQUID
Figura 4.36: Magnetização de saturação em função da densidade de corrente para o campo
aplicado em paralelo e em perpendicular em relação ao filme utilizando o MQUID
Figura 4.37: Gráficos da magnetização normalizada em função do campo magnético
aplicado pelo MAV paralelamente à superfície das amostras
Figura 4.38: Gráficos da magnetização normalizada em função do campo magnético
aplicado pelo MAV prependicularmente à superfície das amostras
Figura 4.39: Gráfico da coercividade magnética de todos os filmes em função da densidade
de corrente, comparando as medidas com o campo aplicado em paralelo e
perpendicularmente para o MAV
Figura 4.40: Magnetização de saturação em função da densidade de corrente para o campo
aplicado em paralelo e em perpendicular em relação ao filme utilizando o MAV
Figura 4.41: Gráfico da coercividade magnética de todos os filmes em função da densidade
de corrente, comparando as medidas com campo aplicado em paralelo e
perpendicularmente para MAV e MSQUID
Figura 5.1: Razão entre taxa de deposição de massa de NiFeCo pela de NiFe em função da
densidade de corrente
Figura 5.2: Razão entre taxa de espessura de NiFeCo pela de NiFe em função da densidade
de corrente
Figura 6.1: Foto ilustrativa da evaporadora e todo seu aparato de funcionamento
Figura 6.2: Simulação da aplicação do fotorresiste PRP
Figura 6.3: Esboço das bobinas de excitação
Figura 6.4: Gráfico da intensidade do campo magnético em função da distância do centro
da espira até um determinado ponto fora dela para 4 diferentes correntes
Figura 6.5: a) Placa de cobre com a impressão da tinta da impressora transferida com a
ajuda do ferro de passar. b) Placa de cobre já corroída
Figura 6.6: Etapas para a formação das trilhas através da aplicação 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 realimentação de campo. K
C
é a
constante de corrente de campo na bobina, K
S
é a constante de transdução campo-tensão
para o sensor, H
f
é o campo realimentado que se opõe ao campo ambiente e H
a
é o campo
que mantém o da rede do sensor suficientemente pequeno
Índice de Tabelas
Tabela 1.1: Resumo sobre características essenciais de alguns sensores magnéticos
Tabela 2.1: Amostras utilizadas nos processos de análises estruturais e magnética
Tabela 3.1: Valores dos potenciais de Nernst para alguns materiais
Tabela 4.1: Tabela comparando as espessuras obtidas utilizando o Método Gravimétrico
com as medidas através do MEV
Tabela 4.2: Tabela das porcentagens dos elementos Ni, Fe e Co obtidas através do EDS
Capítulo 1
Introdução
Neste capítulo citaremos várias áreas onde as medidas de campos magnéticos são
fundamentais, inclusive em específico a área de física médica; tipos de medidores e faixas
de medidas discutindo seus custos-benefícios; princípio físico e funcionamento do fluxgate
e discutiremos métodos de deposição para as ligas metálicas como por mergulho em metal
fundido (hot dipping), condensação de vapor metálico, vaporização metálica (metal
spraying) e eletrodeposição.
1.2 – Importância de se medir campos magnéticos
Antes de mais nada, apresentaremos um pouco da teoria magnética para ter o
entendimento das várias técnicas utilizadas nas medidas de campo magnético. A mais
conhecida fonte de campo magnético presente na natureza é uma barra de ímã. O campo
magnético produzido por essa barra é uma grandeza vetorial, pois possui módulo, direção e
sentido.
O campo magnético produzido por um objeto magnético, quando mensurado a certa
distância, é dado por [1]:
]cos2[
4
)(
3
0
θθθ
π
µ
)
)
r
r
⋅+⋅= senr
r
m
rB
(1.1)
sendo
r
)
o vetor unitário ao longo de r, r é a distância entre a fonte de campo magnético e o
ponto de medida, m
r
é o momento de dipolo magnético e µ
0
é a permeabilidade do vácuo. A
magnetização
M
r
nada mais é que a intensidade magnética dos objetos magnetizados,
sendo definida pela razão da densidade do momento m
r
pelo volume V. O vetor
magnetização é uma propriedade tanto de fontes magnéticas internas como pode ser
induzido por um campo magnético externo.
A indução magnética ou campo auxiliar
H
r
também é um vetor. No vácuo, o campo
magnético
B
r
e o campo auxiliar são proporcionais pelo fator
0
µ
:
HB
r
r
0
µ
=
(1.2)
Descreveremos
agora a relação entre campo magnético, a indução magnética e o vetor magnetização [2]:
)(
0
MHB
r
r
r
+=
µ
(1.3)
Os vetores
H
r
e
B
r
não precisam apresentar a mesma direção. Materiais com
propriedades magnéticas anisotrópicas fazem esses vetores apontarem para direções
diferentes. O vetor magnetização pode ser divido em dois: permanente e induzido. O
permanente independe da presença de campo magnético externo; enquanto que o induzido
só existe com a presença de campo externo.
Só para efeitos equacionais, dividiremos os materiais em fortemente e levemente
magnetizados. Nos fortemente magnetizados, a componente de magnetização permanente é
dominante; enquanto que nos levemente é predominantemente induzida e descrita da
seguinte forma [3]:
H
X
M
r
r
=
(1.4)
sendo X a susceptibilidade magnética do material. Nos materiais isotrópicos, tal
susceptibilidade é uma medida escalar, enquanto que em materiais anisotrópicos é um
tensor, portanto, o módulo e direção do vetor de magnetização dependem da intensidade e
direção do campo induzido. Sendo assim, o vetor magnetização não estará sempre alinhado
com os vetores de indução magnética. Para materiais levemente magnetizados podemos
escrever [4]:
(
)
HHXB
r
r
r
µµµ
00
1 =+=
(1.5)
sendo µ a permeabilidade relativa do material.
Em se tratando de magnetismo na matéria, temos três categorias principais em que
os materiais se enquadram: paramagnéticos, diamagnéticos e ferromagnéticos, dependendo
do comportamento dos momentos magnéticos quando o material é submetido a um campo
magnético externo [5, 6, 7].
O paramagnetismo [8] resulta do alinhamento parcial dos spins eletrônicos (metais)
por um campo magnético externo. É observado em materiais cujos átomos possuem
momentos magnéticos que não interagem fortemente e também que possuem número ímpar
de elétrons. Na ausência de campo magnético externo, esses momentos magnéticos estão
orientados ao acaso e a magnetização total é nula. Se um campo magnético externo for
aplicado ao material, os momentos magnéticos tendem a se alinhar paralelamente ao
campo, mas tal tendência é contrabalançada pela agitação térmica, que tende a desalinhar
os momentos. A quantidade de momentos que se alinham com o campo irá depender da
intensidade do campo aplicado e da temperatura [9]. Esta quantidade é geralmente pequena,
pois a energia de um momento magnético em um campo magnético externo é normalmente
muito menor que a energia térmica do material. Sendo assim, mesmo com um campo
elevado, a agitação térmica faz com que a maioria dos momentos magnéticos permaneça
orientada aleatoriamente, a menos que a temperatura seja muito baixa.
O diamagnetismo [10] é causado pela indução de momentos dipolares magnéticos
associados ao movimento orbital dos elétrons. Esses momentos se opõem ao campo
magnético aplicado e, portanto, reduzem o campo magnético total. Consideremos os
elétrons, presentes na matéria, que tenham suas órbitas perpendiculares a um campo
aplicado externamente (deve haver, pelo menos, um terço de órbitas eletrônicas nessa
direção, pois, temos mais duas direções perpendiculares a esta e independentes entre si).
Portanto, ocorrerá uma variação no dipolo magnético de cada órbita que é proporcional ao
módulo do campo aplicado [11]. Tal fenômeno ocorre em todos os átomos independente do
número de elétrons, sendo o efeito mais fraco. Essa variação ocorre de tal forma que o
campo magnético resultante do dipolo tende a diminuir o campo aplicado quando somados
vetorialmente. Sendo assim, somando todos os campos magnéticos dos dipolos que se
comportam dessa forma, teremos uma magnetização em sentido contrário ao campo
aplicado. Os átomos que possuem camadas eletrônicas completas apresentam
comportamento diamagnético. Se em algum momento, no material, algum átomo possuir
dipolo magnético permanente, este predominará sobre todos os dipolos induzidos no
material pelo campo externo [12].
O ferromagnetismo [13] é observado no ferro, no níquel, no cobalto e em ligas
desses metais. Tais materiais apresentam valores positivos muito altos de susceptibilidade
magnética. Nesses materiais, a aplicação de um pequeno campo magnético externo pode
resultar em um alto grau de alinhamento dos momentos magnéticos. Em alguns casos, o
alinhamento persiste mesmo depois que o campo magnético externo é removido. Isto
ocorre porque os momentos magnéticos influenciam os momentos vizinhos, fazendo com
que todos os momentos em uma pequena região do espaço fiquem alinhados mesmo na
ausência de um campo magnético externo. A região do espaço na qual todos os momentos
magnéticos estão alinhados é denominada domínio magnético. Dentro de cada domínio,
todos os momentos magnéticos estão alinhados, mas a direção de alinhamento varia de
domínio para domínio, de modo que a magnetização total de um pedaço de dimensões
macroscópicas de um material pode ser muito pequena ou mesmo nula na ausência de
campo magnético externo. Quando aplicamos um campo externo, as fronteiras dos
domínios se deslocam de tal forma que o momento total na direção do campo aplicado
aumenta. Sendo que esse efeito acontece mesmo para pequenos valores do campo aplicado,
o campo magnético induzido no material por um campo externo pode ser muito maior do
que o próprio campo. Se plotarmos em um gráfico a magnetização na amostra em resposta
ao campo magnético aplicado, notamos que como o deslocamento das fronteiras dos
domínios de um material ferromagnético não é totalmente reversível, o material permanece
magnetizado mesmo quando o campo aplicado é totalmente removido. Tal efeito é
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/cm
2
com o campo externo aplicado em paralelo à amostra. Os eixos y e x
correspondem respectivamente à magnetização normalizada pela magnetização de
saturação e intensidade do campo externo aplicado
A área delimitada pela curva de histerese é proporcional à energia dissipada como
calor nos processos irreversíveis de magnetização e desmagnetização [14-16]. Quando o
efeito de histerese é pequeno, e, portanto, a área delimitada pela curva e a dissipação de
energia são pequenas, o material é chamado de magneticamente macio. Tal característica
pode ser obtida através da medida da coercividade magnética. Esta medida nada mais é que
a largura do eixo x no ponto central da curva de histerese. Observe tal medida na figura 1.1.
Os materiais magneticamente macios serão usados como núcleos do nosso sensor, para
permitir que o campo obtido como resposta varie muitas vezes por segundo sem que a
dissipação de energia seja excessiva [12].
1.1.1 – Em todas as áreas
Os sensores magnéticos são utilizados em diferentes áreas. O Magnetômetro de
Fluxo Saturado (fluxgate) em particular tem aplicações estratégicas que fizeram dele peça
importante, especialmente, no período da Guerra Fria, onde os satélites-espiões americanos
localizavam os mísseis enterrados e vice-versa [17]. O magnetômetro fluxgate é
considerado um dos mais práticos e versáteis instrumentos de medidas de campos
magnéticos. Sua origem aconteceu no final da década de 1930, com a finalidade de
substituir os antigos equipamentos mecânicos de maior tamanho e que necessitavam de um
período relativamente longo para realizar medidas. Este tipo de equipamento teve um
grande desenvolvimento durante o período da 2ª Guerra Mundial, onde foi largamente
utilizado na detecção de submarinos, uma vez que as ondas de radar têm pouca
penetrabilidade na água do mar e o sonar, que também poderia ser utilizado, poderia
confundi-los com baleias ou cardumes com alta concentração de peixes [18].
Atualmente, o magnetômetro fluxgate é amplamente utilizado em trabalhos de prospecção
geofísica, em sensoriamento remoto, em sistemas de segurança, na indústria e
especialmente nas pesquisas espaciais, a bordo de satélites científicos. Outra aplicação,
utilizando sensores fluxgate, está sendo desenvolvida em conjunto com a Indústria de
Material Bélico do Brasil, visando a otimização dos tiros de artilharia [19]. Hoje em dia, os
sensores magnéticos são largamente utilizados para medir campos magnéticos terrestres,
realizar leituras de fitas e discos magnéticos, confecção de cartões de crédito e de
identificação. Esses sensores possuem ainda aplicações indiretas como: confecção de
sensores de deslocamento mecânico linear e angular e confecção de chaves sem contato
[20].
1.1.2 – Em física médica
O gráfico abaixo ilustra vários exames, relacionados com os campos magnéticos
emitidos por vários órgãos do corpo [21]. Sendo assim, podemos pensar nos sensores
magnéticos como auxílio na área médica, utilizando-os para medir os campos do corpo,
sem que necessariamente a pessoa sofra uma intervenção invasiva.
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
Intensidade de campo (fT)
Frequência (Hz)
Contaminantes magnéticos no pulmão
Correntes abdominais
Cardiograma
Oculograma
Tecido normal diamagnético
Miograma
Cardiograma Fetal
Encefalograma (gama)
Encefalograma (alpha)
His - Purkinje
Hipocampos
Córtex sensorimotor
Retinograma
Atividade cortical de Avoked
Figura 1.2: Gráfico dos campos magnéticos emitidos em função da freqüência [22]
Sensores magnéticos quando otimizados, permitem que sem a intervenção cirúrgica,
sejam feitos exames para detectar, por exemplo, o excesso de ferro no fígado de pessoas
submetidas a seguidas transfusões de sangue, como hemofílicos e portadores de talassemia
e anemia falciforme [23]. O diagnóstico pode auxiliar o médico a detectar várias doenças
decorrentes do acúmulo de ferro no organismo. O paciente que foi submetido a uma
transfusão de sangue, precisa ter ferro quantificado no organismo para controlar a sua
remoção e evitar acúmulo nos tecidos. Utilizamos o exemplo do fígado, pois é um órgão
que acumula em maiores proporções o metal.
Existe outro método comumente utilizado para quantificar a quantidade de ferro
acumulado no organismo principalmente no baço e no fígado, por exemplo, Imagem por
Ressonância Magnética (IRM). Essa técnica também é não invasiva e apresenta bons
resultados, apresentando como desvantagem o alto custo, impedindo muitos centros de
saúde de adquirirem o equipamento adequado.
O funcionamento do equipamento de IRM está baseado nas propriedades
magnéticas dos tecidos biológicos que são aproximadamente iguais à da água e bastantes
distintas das do ferro presente no corpo. As imagens por RM(ressonância magnética) são
caracterizadas pela taxa de relaxação dos prótons da água presentes nos tecidos, após serem
excitados por uma energia eletromagnética, de RF (rádio freqüência) específica. Quando os
átomos de ferro estão presentes, essa taxa de relação dos prótons é modificada. Quanto
mais ferro tiver, mais rápida é a relaxação. Apesar de ser um método sensível para detectar
variações de ressonância nos tecidos biológicos devido a presença de ferro, a IRM é um
método indireto, já que sua precisão depende de ajustes delicados como intensidade de
campo de magnetização e seqüência das imagens. Além disso a IRM não é uma boa técnica
para altos níveis de ferro, acima de 10 mg/g de tecido úmido, pois nesse caso a relaxação é
muito rápida, ficando da ordem do ruído [24-25].
A ressonância magnética funcional (RMf) tem se tornado o método de escolha para
o estudo das funções cerebrais durante a realização de tarefas cognitivas. Na corrente
sangüínea, o transporte de oxigênio é realizado quase exclusivamente pelas moléculas de
oxi-hemoglobina e deoxi-hemoglobina. Estas, em condições normais, encontram-se no
interior das hemácias. As propriedades magnéticas da oxi e da deoxi-hemoglobina são
diferentes. A deoxi-hemoglobina apresenta cinco elétrons não pareados que lhe conferem
paramagnetismo (propriedade relacionada à capacidade de alinhamento com o campo
magnético), o que altera o campo magnético ao seu redor. Dessa forma, o microambiente
magnético dentro das hemácias torna-se diferente daquele do sangue livre ao redor. Essa
heterogeneidade de campos magnéticos na vizinhança das hemácias é tanto maior, quanto
maior for a concentração de deoxi-hemoglobina. Durante a ativação neuronal, há um
aumento do fluxo sangüíneo regional. Em uma determinada região ativada, vemos
desproporcional aumento do fluxo sangüíneo, comparado a pouco aumento do consumo de
oxigênio. Daí temos que a concentração de deoxi-hemoglobina cai nas regiões ativadas. A
redução de sua concentração em áreas ativadas é vista como aumento do sinal. Logo,
podemos detectar áreas ativadas como tendo sinal aumentado [26-28].
1.3 – Tipos de medidores e faixas de medidas analisando custo-benefício
Podemos utilizar diferentes técnicas para fazer medidas de campo magnético. Cada
técnica possui propriedades únicas que a torna mais adequada a aplicações particulares.
Tais aplicações podem variar desde a detecção da presença ou a variação de campo até a
medida precisa de propriedades vetoriais e escalares de tais campos magnéticos. Os
sensores de campo magnético podem ser divididos em: sensores de componente vetorial
(vetoriais) e sensores de magnitude (escalares). Nos sensores vetoriais fazemos uma
subdivisão em: sensores para medição de baixo-campo, ou melhor, abaixo de 1 mT e alto-
campo, acima de 1 mT. Instrumentos para medição de baixo-campo são chamados de
magnetômetros, e para medição de alto-campo gaussiômetros [29].
A bobina de indução [30] e o magnetômetro de fluxo saturado (fluxgate) [31] são os
sensores mais utilizados entre os vetoriais. Tais sensores são seguros, robustos e de menor
custo quando comparados a outros instrumentos de medição para baixo-campo magnético.
O magnetômetro de fibra ótica é o mais novo instrumento desenvolvido para a medida de
baixo-campo, o seu potencial para o desenvolvimento do seu desempenho é significativo
[32-34]. Os magnetômetros SQUID (superconducting quantum interference device) são os
mais sensíveis entre todos os sensores de campo magnético [35]. Operam em temperaturas
próximas do zero absoluto e precisam de um sistema de controle térmico, tornando-os
menos robustos, menos confiáveis e mais caros.
Os mais antigos e comuns para medida vetorial de alto-campo são os dispositivos de
efeito Hall [36]. Só são utilizados em campos maior que 1 T. Os magnetorresistivos são
próprios para grandes variações entre alto e baixo campos [37]. Dentro dos
magnetorresistores existem dois tipos [38-40]: magnetorresistores anisotrópicos
(Anisotropic Magnetoresistor – AMR), utilizados como magnetômetros e magnetorresistivo
gigante (giant magnetoresistive – GMR), com um incremento de dez vezes na sensibilidade,
promete ser um forte concorrente ao magnetômetro de fluxo saturado (fluxgate) em
aplicações de média sensibilidade.
A tabela abaixo resume várias características de alguns sensores magnéticos:
Sensor Faixa (mT) Resolução (nT) Banda (Hz) Característica
Bobina de indução 10
-10
a 10
6
Variável 10
-1
a 10
6
Não mede campos
estáticos
Fluxgate 10
-4
a 0,5 0,1 dc a 2x10
3
Magnetômetro
vetorial de propósito
geral
SQUID 10
-9
a 0,1 10
-4
dc a 5 Magnetômetro de
alta sensibilidade
Efeito Hall 0,1 a 3x10
4
100 dc a 10
8
Ideal para campos
maiores que 1 T
Magnetorresistivo 10
-3
a 5 10 dc a 10
7
Para aplicações de
faixa média
Tabela 1.1: Resumo sobre características essenciais de alguns sensores magnéticos [41].
O gráfico abaixo nos mostra a comparação das faixas de funcionamento de alguns
dos diferentes tipos de sensores magnéticos; e nas seções seguintes discutiremos seus
princípios de funcionamento.
Figura 1.3: Gráfico de comparação entre as faixas de medidas dos vários tipos de sensores
magnéticos
1.2.1. - Bobina de indução
Existe uma grande relação entre campo magnético e campo elétrico. Faraday
enunciou que se poderia produzir tensão nos terminais de uma volta de um fio aproximando
ou afastando um ímã, levando tal resultado a um sensor de bobina de indução. Portanto,
campos magnéticos são produzidos pelo movimento de cargas elétricas.
A bobina de indução é um dos dispositivos detectores de campo magnético mais
simples existente [42]. O funcionamento de tal dispositivo é baseado na lei de Faraday [43].
A lei indica que se ocorrer uma variação de fluxo magnético através da área determinada
por uma espira, uma força eletromotriz será induzida na mesma, que será proporcional à
taxa de mudança do fluxo; ou seja:
dt
d
t
φ
ε
−=)(
(1.6)
sendo
ε
a força eletromotriz,
φ
o fluxo magnético e t o tempo.
Considerando o campo magnético
→
B
uniforme e
→
A
como sendo o vetor normal à
área de secção reta determinada pela volta do fio, a tensão nos terminais da bobina será:
dt
ABd
t
)(
)(
→→
⋅
−=
ε
(1.7)
para campos uniformes.
Através da equação acima, podemos entender que a variação temporal em
→
B
ou
mecânica na orientação de
→
A
relativa à
→
B
produzirá tensão nos terminais da bobina. Se a
bobina se mantém fixa em relação à
→
B
, o campo estático não pode ser detectado, mas caso
a mesma seja rotacionada ou tiver a magnitude de
→
A
modificada, então será possível medir
o campo estático.
a)
b)
Figura 1.4: A bobina de indução consiste em um solenóide, podendo ou não possuir um
núcleo ferromagnético. a) antena em anel com núcleo de ar; b) antena solenoidal com
núcleo ferromagnético
A figura 1.4 representa as duas configurações mais comuns de bobina de indução
para medidas de intensidade de campo magnético [41]. O princípio de funcionamento é
igual para as duas diferentes configurações.
1.2.1.1 – Antena em anel com núcleo de ar
Tal configuração consiste em um anel circular ou retangular, contendo uma ou mais
voltas de um fio sem um núcleo magnético. O diâmetro do anel na maioria das vezes é
muito maior que as dimensões da secção reta do enrolamento. A sensibilidade de uma
antena de anel circular com o enrolamento interno ao diâmetro d e secção reta retangular
pode ser estimada pela relação [20]:
++=
2
2
0
4
3
21
4 d
t
d
t
nd
K
πµ
(1.8)
sendo t a espessura do enrolamento e n o número de voltas.
Tal configuração é usada somente para medir campos magnéticos com freqüências
na faixa que varia de 100 Hz até alguns mega Hertz. Um aspecto negativo seria o tamanho
que o dispositivo deveria ter quando for necessário alta sensibilidade em baixas
freqüências.
1.2.1.2 – Antena em haste
Esta antena é menor que a antena em anel de mesma sensibilidade, podendo ser
projetada para operar em baixas freqüências [41]. Tem como inconveniente, sua resposta
não ser linear à intensidade de campo magnético além do núcleo adicionar ruído ao sinal.
Tal antena é constituída basicamente de um solenóide com núcleo magnético. O núcleo
pode ser de secção circular ou retangular, constituído de material de alta permeabilidade
relativa. Coloca-se um isolante entre as camadas de enrolamento a fim de reduzir a
capacitância e, por fim, é colocada uma malha eletrostática sobre o enrolamento para
atenuar qualquer campo elétrico 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 magnético perpendicularmente à direção da corrente elétrica em um condutor
elétrico [44]. Ele observou que aparecia uma diferença de potencial elétrico nas laterais
desse condutor na presença de tal campo magnético. O efeito ocorre devido à força de
Lorentz que tende a desviar as cargas elétricas de sua trajetória [45-46]. Desta forma, cria-
se um acúmulo de cargas nas superfícies laterais do condutor, produzindo então, uma
diferença de potencial. Observe a figura 1.5 que ilustra o efeito Hall:
Figura 1.5: Uma voltagem V dá origem a uma corrente I na direção positiva de x. A
resitência ôhmica é V / I. Um campo magnético na direção positiva z deflete os portadores
de carga positiva na direção negativa de y. Isto gera um potencial de Hall (V
H
) e uma
resitência de Hall (V
H
/ I ) na direção de y
O excesso de cargas positivas e negativas funciona como um capacitor de placas
paralelas, com um campo elétrico 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 magnético. O Hall tem a capacidade de medir tanto campos contínuos como
alternados em um único instrumento. Ele também apresenta como outras vantagens a
velocidade de resposta, durabilidade, variabilidade de formatos e medição sem contato.
1.2.3 - Magnetoresistor
Sensores magnetoresistivos têm seu funcionamento baseado na magnetoresistência
[48]. Magnetoresistência é um fenômeno que ocorre em materiais que mudam sua
resistividade elétrica quando expostos a um campo magnético [49]. Alguns materiais
ferromagnéticos têm um grande efeito magnetoresistivo. Através da figura abaixo, podemos
ter uma idéia de como um sensor magnetoresistivo funciona:
a) b)
Figura 1.6: Esquema ilustrativo de um sensor magnetoresistivo. a) Sem aplicação de campo
magnético externo, o material apresenta resistência R
1
. b) Aplicando um campo magnético
externo, o material passa a ter uma resistência R
2
menor que R
1
Tal esquema acima representa um acoplamento de camadas magnéticas externas
(retângulos brancos), feitas de material ferromagnético e uma fina camada, com dimensões
da ordem do livre caminho médio dos elétrons de condução, de material não magnético no
interior (retângulo preto). As correntes são fornecidas por uma fonte de tensão.
Quando não há aplicação de campo magnético externo, representado na fig 1.6 a, as
camadas de material magnético possuem magnetizações orientadas em sentidos opostos,
pois existe uma camada de material não magnético no interior delas. Tal configuração
permite que o material ferromagnético se oriente em sentidos opostos a fim de minimizar a
energia.
No momento em que aplicamos um campo magnético externo, representado na fig
1.6 b, as magnetizações do material ferromagnético se orientarão com mesma direção e
sentido do campo externo aplicado. Considerando uma voltagem constante, notaremos que
devido à aplicação do campo, haverá um aumento na corrente detectada, e
consequentemente, ocorrerá, portanto, uma diminuição na resistência do material [49].
Campo magnético externo
I
1
I
2
1.2.4 - SQUID
O funcionamento físico do SQUID se apóia no efeito Josephson e na quantização do
fluxo magnético em um circuito supercondutor fechado [50]. O efeito Josephson é
caracterizado por uma corrente crítica, sendo que abaixo da mesma, uma barreira de
potencial é supercondutora; e nesse estado, o circuito apresenta uma resistência nula, tendo
como conseqüência, mesmo quando polarizado por uma corrente elétrica, a tensão nos
terminais será nula. Se existir uma corrente superior ao valor da corrente crítica, a barreira
de potencial transita para o estado normal, e consequentemente, passamos a detectar uma
tensão não nula.
A corrente crítica no SQUID é função do fluxo magnético aplicado, apresentando
uma periodicidade equivalente ao quantum de fluxo:
eh 2/
(1.9)
sendo h a constante de Plank e e a carga do elétron.
A determinação com alta resolução da variação do fluxo que atravessa o dispositivo
é obtida através da medida da variação da corrente crítica. Sendo assim, o SQUID pode ser
chamado de conversor de variação de fluxo magnético em variação da corrente crítica.
A montagem do SQUID consiste em um anel supercondutor interrompido
por uma ou duas junções de Josephson. Com uma janela o SQUID é denominado RF e com
duas SQUID DC. O primeiro tem uma montagem relativamente simples, mas em contra-
partida seu funcionamento exige eletrônica de rádio-frequência para detecção, gerando
interferências nas amostras.
Se aplicarmos uma corrente contínua de polarização ao SQUID DC verificaremos
uma variação de tensão nos teminais. Na verdade, nos magnetômetros convencionais, os
sistemas apresentam bobinas de entrada, a qual é conectada as bobinas de detecção
(acopladas com a amostra) e uma bobina de modulação que permite incorporar as
vantagens técnicas de realimentação e da detecção síncrona (lock-in).
1.2.5 – Fluxgate
O magnetômetro de fluxo saturado ou fluxgate é o principal instrumento de medida
de intensidade de campo magnético. Tem como vantagens ser robusto, confiável, pequeno e
opera com baixíssima potência. Tais características, somadas a sua capacidade na medida
das componentes vetoriais de campo magnético na faixa de 0,1 nT a 1 mT e na faixa de
freqüência de um sinal dc a alguns kHz, faz de tal sensor, um instrumento bastante versátil.
Geógrafos utilizam o sensor em exploração e geofísicos no estudo de campos
geomagnéticos, entre 20 µT e 75 µT na superfície terrestre. Alguns sistemas de segurança
utilizam fluxgate na detecção de armas; engenheiros de satélites utilizam para determinar e
controlar a altitude dos foguetes espaciais. Como principais aplicações militares do fluxgate
são as detecções de minas e detecção de veículos [41].
O princípio de funcionamento do fluxgate é simplesmente a aplicação imediata da
Lei de Indução de Faraday, vista na equação 1.6, a qual prevê a indução de uma força
eletromotriz nos terminais de uma bobina, se houver variação no fluxo magnético dentro
dela. Quando deixamos de lado as mudanças na geometria, podemos provocar variações no
fluxo através de mudanças na permeabilidade µ do material que constitui o núcleo da
bobina. Existem diferentes configurações de sensores fluxgate. Algumas são mais
conhecidas, que estão apresentadas logo abaixo:
a) b)
Figura 1.7: a) configuração Schonstedt e b) configuração ring core
Nessas duas configurações o campo de excitação é perpendicular à bobina de
detecção. Tal característica minimiza o acoplamento entre campo de excitação e o sinal na
bobina de detecção.
O sensor fluxgate da fig 1.7 b) (ring core) é formado a partir de uma fina fita de
material ferromagnético que se satura facilmente, ou melhor, que apresenta uma curva de
saturação B x H praticamente vertical, possuindo alta permeabilidade,
µ
= dB/dH, para
valores de H não muito altos, saturando abruptamente para valores maiores de H, ou seja, µ
próximo de zero [51].
Na figura abaixo, uma corrente alternada é aplicada na bobina enrolada ao toróide.
Tal corrente cria um campo magnético que circula pelo núcleo e produz um fluxo no
material ferromagnético para saturação periódica, primeiro no sentido horário e segundo no
sentido anti-horário. Enquanto o núcleo está entre os extremos de saturação, ele mantém
uma permeabilidade magnética média, muito maior que a do ar.
Figura 1.8: O campo de excitação de um fluxgate condiciona alternadamente o núcleo à
saturação positiva e negativa, chaveando a permeabilidade do núcleo entre um e um grande
valor duas vezes a cada ciclo. A figura acima é ilustrativa da variação do fluxo magnético,
da permeabilidade e do sinal de tensão no sensor em função do campo de excitação
No caso contrário da situação anterior, existe uma componente de campo magnético
ao longo do eixo da bobina de detecção. Sendo assim, cada vez que o material
ferromagnético utilizado como núcleo, vai de um extremo de saturação ao outro, o fluxo no
núcleo varia de um nível baixo a um nível alto. Para campos magnéticos dc e de baixa
freqüência, a tensão na bobina de detecção é [41]:
dt
td
HnAtVs
e
)(
)(
0
µ
µ
=
(1.10)
sendo H a componente do campo magnético a ser medida, n o número de voltas da bobina
de detecção, A a área da secção reta da bobina de detecção e
µ
e
a permeabilidade relativa
efetiva do núcleo.
Quando a permeabilidade do núcleo varia de um valor baixo a um valor alto, são
produzidos pulsos de tensão na bobina de detecção com amplitude proporcional à
magnetitude do campo magnético externo e com a fase indicando a direção do campo, já
que o fluxgate é um sensor com medidas vetoriais de campo. A freqüência do sinal é o
dobro da freqüência de excitação, sendo que a transição de saturação a saturação aconteça
duas vezes em um único período de excitação.
Figura 1.9: Uma corrente alternada i(t) passando pela bobina primária gera um campo H(t)
que realiza todo ciclo de histerese. Quando o núcleo é saturado duas vezes durante um
período na curva de magnetização,
ε
(t) deve ser uma função periódica com freqüência duas
vezes maior que a do sinal de excitação i(t). Não havendo campo externo aplicado ao
dispositivo, a simetria do sensor faz com que nenhum sinal apareça nos terminais da bobina
de detecção
F. Primdahl [52] enuncia outra aproximação válida para a tensão induzida na bobina
de detecção:
exaaS
BfANV ⋅−⋅⋅⋅⋅= )(2
minmax0
µµπ
(1.11)
sendo V
S
a tensão induzida na bobina sensora, N o número de espiras na bobina sensora, A a
área da secção transversal do núcleo, f
0
a freqüência de excitação,
µ
amax
a permeabilidade
aparente máxima,
µ
amin
a permeabilidade aparente mínima e B
ex
o campo externo a ser
medido.
Para encontrar a permeabilidade aparente, consideramos que:
)]1(1[ −⋅+⋅=
rra
D
µµµ
(1.12)
sendo µ
r
a permeabilidade do núcleo e D o fator de desmagnetização do núcleo.
Tendo o sinal de excitação uma freqüência f e sendo um sinal periódico qualquer, o
sinal induzido deverá apresentar componentes pares em relação ao sinal de excitação. As
componentes ímpares aparecem como ruído, 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, está explicitado um esquema ilustrativo das várias fases presentes na
construção do sensor:
Figura 1.10: Esquema ilustrativo do sensor fluxgate tipo planar
Atualmente são realizados grandes esforços no sentido de miniaturizar esse tipo de
dispositivo. No entanto, a miniaturização é um fator que limita muito a sensibilidade e
acrescenta nível extra de ruído [54]. Com o avanço da micro-tecnologia, e
consequentemente, a micro-fabricação, baseado na utilização de fotolitografia, é possível
obter tais dispositivos com características extremamente notáveis. Muitos deles, embora
tenham dimensões muito reduzidas, possuem, ainda, alta sensibilidade com detecção de 0,1
nT, ótima linearidade e uma resolução que alcança os 60 nT [55].
1.4 - Algumas técnicas de deposição para ligas metálicas ferromagnéticas que constituem
o núcleo do sensor
Existem várias técnicas de deposição de ligas metálicas. Neste item iremos explicar
sucintamente algumas delas e explicitar algumas vantagens e desvantagens. A deposição de
metais pode ser feita por mergulho em metal fundido (hot dipping), condensação de vapor
metálico, vaporização metálica (metal spraying), sputtering, evaporação térmica,
evaporação por feixe de elétrons (e-beam) e eletrodeposição.
Um dos métodos muito utilizados para a deposição de metais é a evaporação por
feixe de elétrons (e-beam). Em tal processo, o material a ser evaporado ou depositado, é
Bobina detectora
Camada isolante
Camada isolante
Bobina excitadoras
Filme metálico
Substrato de cobre
Camada isolante
Ponte elétrica
colocado em um cadinho e o processo é realizado em uma câmara de vácuo com a pressão
de base em torno de 10
-7
torr. A evaporação é feita por incidência direta do feixe de elétrons
no material e a formação do filme pela condensação do material evaporado e transportado
para a superfície 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 elétrons [56]
Na microeletrônica a maior utilização da evaporadora e-beam se dá na necessidade
de depositar mais de um material ou um em cima de outro. Sua alta energia por feixe de
elétrons permite a deposição de vários tipos de materiais.
Outro método largamente utilizado para depositar ligas metálicas é o sputtering. O
material a ser depositado é desalojado do alvo por bombardeamento de íons e, sendo que
também incide íons de alta energia na superfície do substrato, este introduz uma pequena
degradação na superfície do substrato sendo benéfico para a deposição, pensando-se no
aspecto de aderência do metal na superfície.
Ainda com a microeletrônica não tão desenvolvida, o sputtering era a técnica
preferida pra a cobertura de materiais, tendo em vista a sua menor exigência no aspecto de
vácuo, que era em torno, para o sputtering, na faixa de mtorr e para a evaporação, menor
que 10
-5
torr. Evoluindo o sistema de tecnologia de sputtering, da disponibilidade de gases
ultra-puros e utilização de baixas pressões, a problemática da contaminação por
incorporação de gases nos filmes depositados por sputtering foi reduzida a níveis aceitáveis
para processo de circuitos integrados, sendo hoje o método mais utilizado para a fabricação
de circuitos integrados. Tal escolha se deve ao fato das melhores características dos filmes
depositados por sputtering do que por evaporação, como aderência, uniformidade, melhor
composição de filmes compostos e ligas, e melhor cobertura em degraus. Existem
sputerring com diferentes tipos de fontes empregados para a ionização dos gases: DC
Sputtering, que utiliza uma fonte DC (fig 1.12); RF Sputtering, onde a fonte de ionização é
uma tensão RF; Bias Sputtering, que permite polarizar o substrato e assim efetuar a
deposição e o etching simultaneamente; Magnetron Sputtering, que utiliza o campo
magnético (ímãs) para aumentar a porcentagem de elétrons que participam da ionização dos
gases para melhorar a taxa de colisões dos processos sputtering DC e RF que são bastante
baixas. O sputtering apresenta desvantagens como alto custo do equipamento; a taxa de
deposição de alguns materiais pode ser bastante baixa; alguns materiais degradam pelo
bombardeamento de alta energia; como o processo é efetuado em pressões maiores que as
utilizadas em evaporações, pode ocorrer uma incorporação de impurezas ao filme
depositado.
Figura 1.12: Esquema de um sputtering DC [56]
Agora descreveremos um pouco do método de eletrodeposição de metais, o qual foi
utilizado para depositar nossos filmes de NiFe e NiFeCo.
Na operação de eletrodeposição, a peça a ser tratada é considerada o cátodo de uma
célula eletrolítica que contém uma solução conhecida como banho de deposição. Esta
possui íons do metal que se deseja depositar. O esquema abaixo apresenta um esquema de
uma célula eletrolítica:
Figura 1.13: Esquema de uma célula eletrolítica
O ânodo dessa célula é geralmente do mesmo metal a ser depositado, mas pode ser
também de algum material altamente condutor (como cobalto, por exemplo), insolúvel no
banho nas condições atuantes. O cátodo da célula é conhecido como eletrodo de trabalho e
no nosso caso, o cátodo é constituído de cobre. Tal operação de deposição é efetuada pela
passagem de uma corrente através da célula, onde uma fonte da força eletromotriz poderá
ser uma bateria ou um gerador de corrente contínua ou de corrente alternada retificada. No
nosso caso, utilizamos uma fonte de corrente contínua.
Devido à diferença de potencial, íons metálicos são gerados pela dissolução no
ânodo e, assim como os íons metálicos do eletrólito em solução, movem-se na direção do
cátodo, sobre o qual são depositados em estado metálico.
No caso do ânodo ser do tipo insolúvel, a reação eletroquímica neste eletrodo
consistirá na descarga de íons negativos (oxidação) e, usualmente em meio aquoso, na
reação de desprendimento de oxigênio. Em tal caso, o conteúdo em íon metálico do banho
deve ser mantido por adições periódicas do metal sob a forma de óxido ou hidróxido que,
ao mesmo tempo, neutraliza a acidez crescente que acompanha a eletrólise sob tais
circunstâncias.
A quantidade de transformações que ocorrem no cátodo ou no ânodo durante a
eletrólise é proporcional à quantidade de eletricidade que passa através da solução. Desde
que no cátodo íons de hidrogênio sejam descarregados ao mesmo tempo em que os íons
metálicos, a eficiência do processo é menor que 1. De qualquer maneira, sob quaisquer
condições, a espessura do depósito deve ser proporcional ao tempo de deposição.
Para se obter um satisfatório recobrimento do filme com a liga metálica, devemos
controlar três variáveis: composição química do banho, temperatura e densidade de corrente
catódica. Tais variáveis exercem influência direta sobre o caráter do depósito e estão
relacionadas entre si de tal forma que se uma delas for alterada, as outras se alterarão [57].
As coberturas obtidas por eletrodeposição são de espessuras mais uniformes, menos
porosas que as vaporizadas e de maior pureza. O método permite facilmente o controle da
espessura da camada depositada. Além de todas as vantagens citadas acima, frente outros
métodos de deposição, a eletrodeposição é um método extremamente barato, de fácil
montagem, quando comparado com os métodos descritos acima, já que não necessita de
vácuo, muito menos de gases para a deposição dos filmes.
Nosso objetivo no trabalho foi estudar as propriedades estruturais e magnéticas dos
filmes finos compostos pelas ligas metálicas NiFe e NiFeCo eletrodepositados. Procuramos
encontrar o melhor filme para que este possa ser utilizado como núcleo na confecção de um
micro-sensor magnético tipo fluxgate planar. No capítulo 2 descreveremos detalhadamente
todo o processo de eletrodeposição, juntamente com os materiais utilizados em todo
experimento e também será explicado todos os métodos que utilizamos para caracterização
estrutural e magnética dos filmes. No capítulo 3 apresentaremos os resultados e discussões
dos filmes finos compostos pelas ligas de NiFe. O mesmo estudo será feito no capítulo 4
para os filmes finos compostos pelas ligas de NiFeCo. No capítulo 5 compararemos as
características estruturais e magnéticas obtidas para os filmes das ligas de NiFe e NiFeCo,
procurando encontrar o filme mais apropriado para a aplicação como núcleo do micro-
sensor tipo fluxgate planar. O capítulo 6 apresentará em detalhes, os passos para a
construção de um micro-sensor planar, juntamente com uma simulação da quantidade de
espiras em uma bobina e também a montagem de toda a eletrônica necessária para
caracterizar o sensor. Por fim, apresentaremos o capítulo de conclusão buscando a melhor
liga e as melhores condições de fabricação para podermos obter o filme certo para a
aplicação do núcleo de um micro-sensor tipo fluxgate planar.
Capítulo 2
Eletrodeposição e Técnicas de Caracterização
Descreveremos a seguir detalhadamente o processo de eletrodeposição. Logo após
apresentaremos os materiais e métodos utilizados para confeccionar e analisar
respectivamente nossos filmes.
2.1 – Processo de eletrodeposição
A eletrodeposição é o processo de formação de depósito associada a uma reação
eletroquímica [58-60]. Juntamente com a transferência de cargas através da interface
eletrodo/eletrólito, ocorrem reações químicas cujos produtos são sólidos. Reações
eletroquímicas onde ocorrem a formação de depósitos podem ser reações redutoras ou
reações oxidantes. Durante as reações redutoras ocorre a transferência de elétrons do
eletrodo para o eletrólito (deposição catódica), e durante as reações oxidantes ocorre a
transferência de elétrons do eletrólito para o eletrodo (deposição anódica).
Para a deposição de metais as principais técnicas utilizadas de eletrodeposição são:
galvanostática, potenciostática, eletrodeposição espontânea e deposição pulsada. Na técnica
de eletrodeposição galvanostática, a corrente flui através da célula eletroquímica, sendo
mantida constante. Por outro lado, na eletrodeposição potenciostática, é aplicado um
sobrepotencial mantendo-o fixo durante a deposição. A deposição química electroless não
exige aplicação de corrente ou potencial, pois a mesma ocorre espontaneamente. Na
deposição pulsada, aplicamos pulsos de corrente ou potencial na célula eletrolítica. Para
todas as técnicas acima, o tempo é o fator que determina a espessura do filme depositado.
Com a técnica potenciostática ou galvanostática, podemos a partir de um único eletrólito,
com diferentes íons metálicos dissolvidos, depositar camadas com diferentes componentes.
Para a obtenção de filmes finos de NiFeCo e NiFe, optamos pela técnica de
eletrodeposição galvanostática. As características morfológicas e estruturais do filmes
variam de acordo com a densidade de corrente utilizada para cada depósito, como será visto
posteriormente.
Como os átomos metálicos não são depositados sobre o substrato como uma simples
monocamada, a eletrodeposição de metais passa por duas importantes etapas: nucleação e
crescimento. A etapa de nucleação é muito importante quando o eletrodo de trabalho não é
composto pelo material a ser depositado. Assim, é necessário a criação de núcleos para o
posterior crescimento do depósito, sendo esta a situação para as duas diferentes deposições
realizadas no nosso trabalho.
Em todo o volume da solução e na dupla camada, região de fronteira entre duas
fases com composições diferentes que é caracterizada pela presença de forças anisotrópicas,
os íons metálicos estão solvatados por moléculas de água, ou seja, os íons metálicos estão
envoltos por moléculas de água. Em primeiro lugar, o íon metálico é adsorvido à superfície
do eletrodo sendo totalmente ou parcialmente neutralizado. Neste estado o íon metálico
torna-se um adátomo, ou melhor, um estado intermediário entre o estado iônico na solução
e o estado metálico no eletrodo de trabalho. Este adátomo, quando chega até o eletrodo de
trabalho, vai se deslocando pelo mesmo até encontrar alguma irregularidade. Tal
irregularidade pode ser algum defeito ou rugosidade na superfície do eletrodo, ou também
como uma impureza ou um núcleo de crescimento do depósito. Para tal adátomo passar
para o estado metálico, deve haver um certo consumo de energia. Se por acaso o átomo
metálico se fixar diretamente no eletrodo, tal energia para formar esse núcleo de
crescimento é muitas vezes maior que a energia gasta para formar uma ligação metal-metal.
O crescimento de vários núcleos dará origem a formação de grãos, por isso a morfologia de
filmes eletrodepositados tridimensionalmente é granular.
Nos instantes iniciais da eletrodeposição, no modo galvanostático, ocorre a
formação e o crescimento dos núcleos, a área eletroativa cresce rapidamente resultando em
uma diminuição acentuada no módulo do potencial. Conforme as bordas dos grãos se
encontram, a área eletroativa diminui, e juntamente com tal processo ocorre o consumo dos
íons da camada de Helmholtz(região logo após aos íons que foram solvatados ao substrato
metálico) e a taxa de deposição passa a sofrer influência do transporte de massa, ou melhor,
difusão dos íons da solução para a superfície do eletrodo. Devido a esses dois processos
simultâneos, o potencial tende a aumentar. Quando a taxa de reação é totalmente controlada
pelo transporte de massa, o potencial tende a um potencial de equilíbrio.
Na eletrodeposição, um dos principais fatores é a eficiência do processo.
Certamente procuramos uma eficiência de 100 % correspondendo a que toda corrente
fornecida para célula eletrolítica seja referente à reação.
Durante a eletrodeposição devemos nos atentar para a formação secundária de
hidrogênio [61-63]. Na solução predomina um caráter ácido, pois existe uma abundância de
H
+
vindo dos eletrólitos utilizados. Tal caráter também se deve a proximidade do potencial
padrão de redução dos metais e do hidrogênio, ou seja, muitas vezes o metal deixa de
reduzir para o hidrogênio sofrer redução. A participação do hidrogênio na deposição de
metais acontece na maioria dos casos. Durante a deposição podemos notar a formação de
bolhas de hidrogênio sobre o substrato, impedindo o recobrimento do substrato em certos
pontos, em outros casos as bolhas são cobertas pelos depósitos gerando poros. Em outro
caso também pode ocorrer a reação entre metal e hidrogênio formando hidreto e
consequentemente comprometendo a estrutura e morfologia do filme eletrodepositado.
Os experimentos eletroquímicos são realizados em cubas eletrolíticas (observe a fig.
2.1). Dentro da cuba é colocado o eletrólito, onde são imersos os eletrodos de trabalho e
auxiliar, para a medida das correntes e potenciais elétricos envolvidos nas diferentes
reações. A observação de formação de depósitos nos eletrodos deu início aos estudos da
eletrodeposição. A necessidade tecnológica de aprimoramento de técnicas para o
revestimento de superfícies e a conseqüente alteração das propriedades das mesmas
incentivou tal estudo. Portanto, o início da eletrodeposição de metais foi praticamente
simultâneo ao desenvolvimento da eletroquímica [64].
Figura 2.1: Esquema de uma célula eletrolítica
Estudando um pouco a parte de eletroquímica para compreendermos o processo de
eletrodeposição, Faraday introduziu termos eletroquímicos que são utilizados até os dias de
hoje [65-73].
Sendo a condução de eletricidade a característica intrínseca dos materiais
participantes, é apropriado considerar um sistema eletroquímico como composto por, no
mínimo, dois condutores eletrônicos, ou melhor, eletrodos, separados por um condutor
eletrolítico.
“A passagem de uma corrente elétrica de um condutor metálico para um condutor
eletrolítico, ou vice-versa, é sempre acompanhada por uma reação eletroquímica”. Essa é a
forma genérica do enunciado da Lei de Faraday. Quantitativamente, Faraday também
propôs: “A magnitude do efeito químico, em equivalentes químicos, é a mesma tanto na
superfície metálica quanto na solução eletrolítica e está determinada pela quantidade de
eletricidade que passa” [74]. Tal frase corresponde a: se um equivalente de elétrons flui
através de uma interface, um equivalente-grama da espécie envolvida no processo
eletródico deverá ser oxidado ou reduzido. A carga correspondente a um equivalente de
elétrons é tradicionalmente conhecida pelo nome de constante Faraday e corresponde a:
F = N.e
(2.1)
sendo F a constante de Faraday, N o número de Avogadro e e a carga do elétron.
Substituindo os valores de N e de e, obtemos F = 96500 C. Assim, em uma eletrólise na
qual a corrente é mantida constante, a massa de material envolvida em cada um dos
processos eletródicos pode ser calculada pela seguinte equação:
F
tIE
m
q
=
(2.2)
sendo I a corrente, t o tempo e E
q
o equivalente-grama da espécie envolvida no processo
eletródico, ou melhor:
n
MM
E
q
=
(2.3)
sendo, n o número de elétrons envolvidos na reação eletroquímica.
Como já dito, o sistema eletroquímico deve ser composto, no mínimo, por dois
eletrodos imersos em um eletrólito que transporta íons, conforme representado na figura
2.1.
Estudando o eletrólito, em condições fora do equilíbrio, quando circula corrente
elétrica, observamos os fenômenos de transporte de massa: a difusão, migração e
convecção. Já no estudo da interface eletrodo/solução em condições fora do equilíbrio,
teremos que estudar conceitos baseados na cinética eletroquímica.
Passando corrente elétrica através de uma célula eletrolítica, provocamos um
desequilíbrio no sistema, podendo ser caracterizado pelos seguintes fenômenos que se
manifestam no interior do sistema: 1) ocorre um par de reações nos eletrodos, 2)
verificamos a movimentação de espécies na solução eletrolítica e, 3) surge o fenômeno de
polarização eletródica.
Como a reação ocorre na interface eletrodo/solução, que é caracterizada pela
existência de anisotropia de forças e pela presença de campos elétricos, será necessário
descrevermos um pouco os fenômenos da dupla camada elétrica e suas conseqüências para
a velocidade das reações eletródicas.
A região fronteiriça entre duas fases com composições diferentes é caracterizada
pela presença de forças anisotrópicas. É de tal anisotropia de forças que surge o fenômeno
da tensão superficial e as demais propriedades características da interface. Considerando
um soluto iônico dissolvido em água, observamos que o comportamento de um íon presente
no interior da solução é guiado por forças isotrópicas, enquanto que o comportamento do
íon perto da superfície é guiado por forças anisotrópicas. Dependendo da componente total
das forças anisotrópicas superficiais, nas regiões próximas à interface ocorrerá um aumento
ou uma diminuição da concentração do íon. Em tal caso, como espécies carregadas
eletricamente estão envolvidas, o resultado será uma distribuição desigual de cargas
elétricas da qual se segue aparecimento de uma diferença de potencial entre a superfície e o
interior da solução. Em uma interface eletrodo/solução eletrolítica, os fenômenos 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 solução pode ser controlada através de um circuito externo.
A região fronteiriça é denominada de dupla camada elétrica. Nas interfaces
eletrodo/solução é possível inserir uma diferença de potencial variável através de uma fonte
externa, permitindo controlar externamente a adsorção de cargas e dipolos. A adsorção de
espécies na interface eletrodo/solução envolve tanto íons quanto dipolos. Na ausência de
transferência de carga através da interface a condição termodinâmica de equilíbrio exige
que a interface seja eletricamente neutra. Isto equivale a dizer que a uma dada carga no
eletrodo corresponderá uma carga igual e de sinal oposto na solução. A interface pode ser
considerada como um capacitor de placas paralelas. Portanto, as leis que regem o
comportamento elétrico dos capacitores também podem ser aplicadas à dupla camada
elétrica, sendo uma delas relacionada com a capacidade elétrica ou capacitância (C). Esta
grandeza é definida como a relação 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 princípio da eletroneutralidade, podemos considerar que a carga acumulada no metal é
igual e de sinal contrário à carga acumulada na solução.
Quando injetamos uma carga elétrica em um eletrodo através de uma fonte externa,
que é o nosso caso, podem correr duas situações: 1) A carga acumula-se na interface
eletrodo/solução. Neste caso, a diferença de potencial através da interface depende da carga
injetada, o que ilustra a forma de controlar externamente essa diferença. Neste caso, o
eletrodo é polarizado. 2) A carga injetada escoa através da interface sendo transferida a
alguma das espécies em solução. Assumindo que essa transferência seja suficientemente
rápida, será observado que a diferença de potencial através da interface permanece
inalterada. A diferença de potencial entre os dois eletrodos que compõem a célula
eletroquímica é a variação entre as diferenças de potenciais de duas interfaces. Variações
nessa diferença de potencial se traduzem em variações na diferença de potencial na
interface do eletrodo de trabalho.
As quantidades de ânions e cátions adsorvidos são iguais, já que a carga na interface
do lado da solução também deve ser nula, somente no potencial de carga zero. A isoterma
de adsorção é uma relação analítica que relaciona a quantidade adsorvida de um
componente em uma interface com a concentração deste componente no meio da fase. A
isoterma de adsorção é muito utilizada, mas devido aos diferentes tipos de interações que
guiam a adsorção de diferentes espécies, não existe uma única isoterma para todas as
situações. Nas interfaces carregadas, como é o caso das interfaces eletrodo/solução, surge
um problema: a quantidade adsorvida depende do estado elétrico da interface que deve ser
especificado através do potencial ou mesmo a carga no eletrodo.
Até o momento tratamos de adsorção de íons, principalmente ânions, pois todas as
soluções usadas em eletroquímica contêm, em geral, uma considerável concentração de
íons para torná-las condutoras. Entretanto, a adsorção de substâncias neutras, dentre as
quais se inclui o solvente da solução eletrolítica, pode ter uma grande importância na
definição das propriedades físico-químicas da interface eletrodo-solução. Considerando
substâncias neutras que se adsorvem sobre um eletrodo é importante diferenciar dois
grupos: as que apresentam uma interação específica com o material do eletrodo através de
forças de curto alcance e as que se adsorvem por ação de forças eletrostáticas de longo
alcance. No caso dos íons, a adsorção de moléculas neutras requer que o solvente seja
deslocado da superfície do eletrodo. Se ambos os componentes da solução, adsorbato e
solvente, comportam-se como dipolos, a adsorção relativa dependerá dos respectivos
momentos dipolares. O campo elétrico na interface eletrodo/solução é muito forte. Isso
provoca um deslocamento das cargas elétricas na molécula, sendo necessário considerar o
momento dipolar efetivo, no campo elétrico, e não o momento dipolar permanente da
molécula isolada. Assumindo que o deslocamento de cargas na molécula seja proporcional
ao campo elétrico, e que sem dúvida, é uma aproximação por ser um campo muito forte, é
possível escrever o momento dipolar efetivo como soma de duas contribuições o momento
dipolar permanente mais o momento dipolar induzido pelo campo elétrico. Observemos
agora um comportamento atípico da água usada como solvente na maioria das soluções.
Para valores pequenos da densidade de carga no eletrodo, o momento dipolar efetivo da
molécula neutra predomina e esta se adsorve preferencialmente. Para cargas mais elevadas,
o momento dipolar efetivo da água é que predomina, e a água se adsorve preferencialmente
[74].
A passagem de corrente elétrica através de uma interface eletrodo/solução sempre
leva a uma reação eletroquímica através da qual reagentes transformam-se em produtos.
Para que esta reação ocorra, são necessárias várias etapas básicas: 1) a espécie reagente
deve aproximar-se da interface eletrodo/solução, onde efetivamente ocorre a reação. 2) já
na superfície, a espécie reagente envolve-se na reação de transferência de carga,
transformando-se em produto. 3) simultaneamente, a carga elétrica envolvida no processo
deve ser transportada em direção ao outro eletrodo, garantindo assim a eletroneutralidade
da solução eletrolítica. Neste processo há uma corrente elétrica através do circuito externo e
uma corrente iônica através da solução.
A célula eletrolítica utilizada para o nosso sistema de eletrodeposição, era composta
por um eletrodo de trabalho de cobre, eletrodo auxiliar de níquel quando depositamos
filmes de NiFe e eletrodo auxiliar de cobalto para depositar os filmes de NiFeCo. A solução
eletrolítica utilizada foi a mesma para a deposição das duas diferentes ligas. Sua
composição e seu preparo será mostrado mais adiante.
Então, aplicando uma corrente elétrica externa, íons positivos saem do eletrodo
auxiliar (ânodo) e caminham pela solução em direção ao eletrodo de trabalho (cátodo)
(figura 1.13). Sendo assim, íons positivos de níquel e ferro serão reduzidos no eletrodo de
trabalho, isto para filmes de NiFe, sendo que os íons de ferro são provenientes da solução
eletrolítica através de compostos dissolvidos, enquanto que os íons de níquel que além de
estarem presentes na solução, foram obtidos pela oxidação sofrida no eletrodo auxiliar. Já
para filmes de NiFeCo, os íons de cobalto que sofreram oxidação no eletrodo auxiliar,
posteriormente se reduziram no eletrodo de trabalho e os íons positivos de ferro e níquel
dissolvidos em solução sofreram redução no eletrodo de trabalho.
2.2 – Materiais
Para a montagem da célula eletrolítica utilizamos:
- Um béquer de 250 ml,
- Eletrodo de trabalho (substrato) de cobre polido,
- Eletrodo auxiliar de niquel polido para depositar filmes de NiFe e eletrodo auxiliar de
cobalto polido para depositar filmes de NiFeCo,
- Lixas para polimento com granulosidades iguais a 400, 600, 1200 e 2000,
- Água deionizada DI para o preparo da solução eletrolítica e para limpeza dos eletrodos,
- Acetona para a limpeza dos eletrodos,
- Sais que compõe a solução:
- NiSO
4
: pureza: 98,0 – 102,0% procedência: Synth
- NiCl
2
: pureza:
≥
98,0% procedência: Fluka
- FeSO
4
: pureza:
≥
99,0% procedência: Synth
- H
3
BO
3
: pureza:
≥
99,8% procedência: Merck
- C
7
H
5
NS.2H
2
O: procedência: Synth
- Balão volumétrico de 500 ml para o preparo da solução eletrolítica,
- Agitador magnético para auxiliar o processo de mistura da solução,
- Contatos elétricos de cobre para a passagem de corrente nos eletrodos,
- Tampa de teflon para a fixação dos eletrodos no béquer,
- Esmalte para isolar um dos lados do eletrodo auxiliar,
- Fita crepe para isolar um dos lados do eletrodo de trabalho.
Para a montagem do restante do aparato para a eletrodeposição utilizamos:
- 2 multímetros, um para o monitoramento da densidade de corrente e outro para monitorar,
a diferença de potencial entre os eletrodos,
- Fonte de corrente que pode nos fornecer um intervalo de 1,5 à 62 mA,
- 4 conectores tipo “jacaré-banana” para realizar os contatos elétricos entre os eletrodos e os
multímetros.
- Cronômetro para medir o tempo de deposição para cada filme.
Figura 2.2: Fotos ilustrativas do circuito utilizado para a eletrodeposição e a solução
eletrolítica respectivamente
2.2.1 – Solução eletrolítica
Para darmos início ao processo de eletrodeposição, primeiramente preparamos a
solução necessária para depositarmos o filme de NiFe. Para o preparo da solução utilizamos
uma receita já apresentada pela literatura [75-76]. Utilizamos a água deionizada como
solvente, já que vamos transportar íons pela nossa solução. A solução é composta por
variados sais, sendo que o ácido bórico e a sacarina foram usados como aditivos da solução.
O ácido bórico é responsável em melhorar a condutividade elétrica da solução, já a sacarina
permite uma deposição mais homogênea. Utilizamos as seguintes concentrações de sais:
0,7 mol/l de sulfato de níquel (NiSO
4
); 0,02 mol/l de cloreto de níquel (NiCl
2
); 0,03 mol/l
de sulfato de ferro (FeSO
4
); 0,4 mol/l de ácido bórico (H
3
BO
3
) e 0,016 mol/l de sacarina
(C
7
H
5
O
3
NS.2H
2
O). Notamos que a quantidade de sais de níquel é maior que a quantidade
de sais de ferro, observação que nos será útil mais pra frente. As massas dos sais foram
aferidas em uma balança analógica August Sauter KG – 7470 Ebingen 1 (West Germany).
Cada sal aferido foi colocado em seu respectivo béquer antes de misturá-los. Utilizamos
para fazer a solução um balão volumétrico, recipiente indispensável devido a sua precisão
em se tratando de volume. Com o auxílio de água deionizada, fomos inserindo um a um os
sais no balão volumétrico. Completamos o volume do balão com a mesma água, e
passamos para um intenso processo de agitação da solução. A fim de garantir uma boa
agitação, utilizamos um agitador magnético na solução, revestido com teflon, deixando por
um tempo em torno de 4 horas, em temperatura ambiente.
Após todos esses procedimentos de preparo da solução, a mesma se encontra pronta
para ser utilizada para a deposição do NiFe sobre o substrato, mas antes que isso ocorra,
precisamos preparar o eletrodo de trabalho, o eletrodo auxiliar e toda eletrônica para
depositarmos o filme.
2.2.2 – Eletrodo de trabalho
Utilizamos um eletrodo de cobre como nosso eletrodo de trabalho. Utilizamos dois
diferentes tamanhos de eletrodos. No início, para analisarmos a liga de NiFe que foi
depositada sobre o substrato, utilizamos substratos quadrados de 1 cm
2
, já quando partimos
para a tentativa de construção do macro sensor magnético tipo fluxgate planar, construímos
substratos de 5,4 cm x 3,0 cm. Foi necessário que todo eletrodo passasse por um intenso
processo de limpeza. Começamos lixando o substrato com quatro granulosidades de lixas
respectivamente mais finas. Iniciamos com a 400, 600, 1200 e 2000. A lixa de 2000 era
extremamente fina, para que não ficassem marcas de riscos das outras granulosidades, ou
melhor, para eliminar qualquer tipo de marca física presente no substrato. O processo de
lixar os substratos garante que nenhuma parte do mesmo pudesse estar oxidada, reação que
ocorre facilmente e rapidamente no cobre. Após lixados devidamente os substratos
(eletrodo de trabalho), partimos para a limpeza dos mesmos. Começamos utilizando
detergente e água deionizada. Após a primeira limpeza com detergente, isolamos um dos
lados do eletrodo com fita crepe para que se depositasse a liga metálica somente em um dos
lados do eletrodo de trabalho, novamente limpamos com detergente e enxaguamos com
água deionizada. Dando seqüência ao processo de limpeza, mergulhamos o substrato em
acetona e por fim o enxaguamos com água deionizada. Devemos lembrar que, os substratos
devem passar pelo processo de limpeza, minutos antes de serem utilizados para deposição
do filme, pois como já comentamos, o cobre é um material que se oxida facilmente,
impedindo a deposição do filme nas áreas oxidadas.
Para prendermos o substrato na célula eletrolítica, utilizamos um tipo de pinça
fabricada de alumínio, presa por sua vez por um fio de cobre, por onde passará a corrente e
chegará até o eletrodo de trabalho. Essa tal presilha foi feita de maneira que não
deteriorasse o filme e que sua massa não fosse influenciada no final da deposição, para
podermos comparar no final da deposição massas final e inicial.
2.2.3 – Eletrodo auxiliar
O eletrodo auxiliar nada mais é que a parte integrante para fecharmos o circuito
formado pelo eletrodo de trabalho, solução eletrolítica e fonte de corrente. Tal eletrodo era
constituído de níquel, com alto grau de pureza. O níquel foi escolhido, pois este oxida
menos que o ferro, já que o eletrodo teria que ser constituído por um dos integrantes da liga
que depositamos a fim de liberarem íons metálicos de Ni na solução. Conectamo-lo a um
fio de cobre, a fim de transmitir corrente elétrica pelo sistema. Isolamos um dos lados do
eletrodo auxiliar com esmalte, e realizamos o mesmo polimento feito no eletrodo de
trabalho. O mesmo, também, passou por um processo de limpeza semelhante ao eletrodo de
trabalho, ou seja, lavagem com detergente, água deionizada, e acetona para uma limpeza
mais intensa.
Para fabricar o filme de NiFeCo, utilizamos um eletrodo auxiliar de cobalto, com
alto grau de pureza também. Tal eletrodo passou pelo mesmo processo de polimento e
limpeza descritos para os eletrodos acima.
Logo abaixo apresentaremos uma tabela que descreve todas as amostras que foram
produzidas e estudadas através dos métodos que serão descritos adiante:
Amostras Densidade de
corrente (mA/cm
2
)
Tempo de
deposição (min)
4 40
8 40
12 40
14 40
20 40
24 40
NiFe
28 40
4 40, 60
8 40,60
12 40,60
14 40,60
16 40,60
20 40,60
24 40,60
NiFeCo
28 40,60
Tabela 2.1: Amostras utilizadas nos processos de análises estruturais e magnética
Foram ainda fabricadas amostras com este mesmo intervalo de densidade de
corrente, de 4 a 28 mA/cm
2
, mas com tempos de 10, 20, 80 e 300 minutos. Tais amostras
não estão na tabela, pois sofreram só algumas caracterizações que não foram suficientes
para comparar com as demais amostras apresentadas na tabela.
2.3 – Técnicas de Caracterização
Utilizamos vários métodos para analisar os nossos filmes quanto a sua morfologia,
estrutura e propriedades magnéticas. Sendo assim, usamos a difração de raios–X,
Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) lateral e superficial, Espectroscopia de
Energia Dispersiva, ou mesmo Energy Dispersive Spectroscopic (EDS), expressão esta que
será utilizada para descrever esta técnica e para análise magnética das amostras utilizamos
o Magnetômetro de Amostra Vibrante (MAV), tendo como sensor bobinas captadoras e o
magnetômetro utilizando o SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) como
sensor para medidas de magnetometria. A partir desse momento utilizaremos o nome
MSQUID para as amostras que foram caracterizadas a partir do magnetômetro que utilizava
tal sensor para as medidas magnéticas. Tais métodos terão seus princípios físicos
brevemente descritos abaixo.
2.3.1 – Difração de Raio –X
A descoberta dos raios-X se deu a partir de experimentos com tubos catódicos que
consistiam em um tubo de vidro ligado a uma bomba de vácuo, onde era aplicada uma
diferença de potencial entre terminais opostos, gerando uma corrente elétrica dentro do
tubo. Os raios provenientes do cátodo eram absorvidos pela matéria e sua absorção estava
inversamente relacionada com a voltagem de aceleração; e essa radiação incidida em alguns
cristais, provocava a emissão de luz visível. Thomson em 1896 demonstrou que os raios
provindos do cátodo eram elétrons que tiveram sua carga absoluta de 1,601x10
-19
C aferida
por Milikan em 1910. Rontgen em 1895 passou a observar radiação que chamaria de Raios-
X por sua natureza desconhecida. Descobriu suas principais propriedades como a
propagação em linha reta, alta capacidade de penetração, indiferença a campos magnéticos
e capacidade de impressionar chapas fotográficas. Rontgen já havia verificado que ânodos
de metais pesados emitiam raios-X mais penetrantes que aqueles emitidos por ânodos de
metais mais leves. O estudo da difração dos raios-X em cristais se deu com Laue a partir de
1912, quando o mesmo obteve o primeiro diagrama de difração utilizando sulfato de cobre.
Aplicando seus conhecimentos sobre a difração da luz por grades de uma e duas dimensões,
Laue formulou uma teoria de difração de raios-X para estruturas tridimensionais [77].
A geração de raios-X se dá quando uma partícula de alta energia cinética é
bruscamente desacelerada. O método mais utilizado para se produzir raios-X é fazendo com
que um elétron de alta energia, gerado pelo cátodo do tudo catódico, colida com um alvo
metálico, ou melhor, o ânodo [78]. A figura abaixo mostra a produção de raios-X em níveis
atômicos. Um elétron de alta energia (I) atingirá um elétron da camada K que será liberado
na forma de fotoelétron (II), fazendo com que ocorra uma vacância nessa camada. Outro
elétron da camada mais externa ocupará tal vacância liberando energia na forma de um
fóton de raios-X (III). A energia liberada por esse fóton corresponde a diferença de energia
entre as duas camadas (IV). Com tal energia, podemos calcular o comprimento de onda.
Como a energia para cada nível varia com o elemento atômico, cada tipo de alvo produz
radiações características com diferentes comprimentos de onda.
Figura2.3: Raios-X produzidos em níveis atômicos [79]
O espalhamento e a conseqüente difração de raios–X, mais basicamente falando,
pode ocorrer por um elétron, podendo ser esse espalhamento coerente ou incoerente. Para
que haja uma interferência construtiva das ondas espalhadas, é necessário que seja
obedecida a Lei de Bragg [80]:
θ
λ
send
⋅
⋅
=
2
(2.4)
sendo,
λ
o comprimento de onda, d a distância entre dois planos cristalinos e
θ
é o ângulo
de espalhamento sofrido pelos raios-X quando incidido no cristal.
Em 1914, Laue montou um experimento em que um feixe de raios-X incidia em um
cristal e por trás do cristal havia uma chapa fotográfica. O mesmo observou que se formou
um padrão de difração. Sendo assim a difração se tornou útil para a determinação de
estruturas cristalinas. Quando realizamos uma difração, a amostra sofre rotação para que se
varie o ângulo.
Quando a Lei a Bragg é obedecida, haverá um pico de intensidade. Portanto, a
análise da difração de raios–X, nada mais é que uma contagem do número de fótons, por
unidade de tempo e área, que alcança certo detector. Dependendo da quantidade de fótons
que chegam até o detector, podemos obter informações a respeito da estrutura interna da
amostra analisada.
Utilizamos no nosso trabalho o difratômetro SIEMENS modelo D5005 (DFM-
FFCLRP-USP-Laboratório de Cristalografia). O potencial utilizado para acelerar os
elétrons foi de 40 kV, com uma corrente de 40 mA. Através de filtros e colimadores, foi
incidido sobre uma amostra de cristal um feixe de raios-X monocromático, com
comprimento de onda de 1,5406
o
A
. A varredura angular foi de 40° a 100° com um passo de
0,02°.
As difrações de raios-X dos filmes de NiFe foram realizadas pelo técnico Lorivaldo
dos Santos Pereira do Departamento de Química da Faculdade de Filosofia, Ciências e
Letras de Ribeirão Preto da Universidade de São Paulo e as difrações dos filmes da liga de
NiFeCo foram realizadas pelo técnico Carlos Antônio Brunello do Departamento de Física
e Matemática da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto da
Universidade de São Paulo.
2.3.2 – Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
O Microscópio Eletrônico de Varredura é um instrumento muito prático, usado
rotineiramente para a análise microestrutural de materiais sólidos. Quando comparamos o
MEV com o microscópio ótico (MO), o MEV apresenta vantagem em relação a sua alta
resolução, da ordem de 2 a 5 nm, atualmente existindo instrumentos com até 1 nm de
resolução, enquanto que para o MO essa resolução é de 0,5 µm. Quando comparamos o
MEV com o Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET), a grande vantagem do MEV
está na preparação das amostras; mas, também na elevada profundidade de foco,
possibilitando a aparência da imagem tridimensional, e na possibilidade de combinar a
análise microestrutural com a microanálise química. Estes são os principais fatores que
contribuem para o vasto uso da técnica.
A microscopia eletrônica de varredura teve início com o trabalho de M. Knoll em
1935 [81]. O primeiro microscópio eletrônico de transmissão de varredura adaptando
bobinas de varredura ao microscópio eletrônico de transmissão foi desenvolvido por Von
Ardenne em 1938. O aumento máximo conseguido foi de 8000 vezes, com resolução
aproximada de 50 nm. O primeiro MEV foi construído nos laboratórios da RCA em 1942,
capaz de observar amostras espessas usando o detector de elétrons secundários para obter a
imagem [81]. No entanto a resolução não foi muito satisfatória sendo de apenas 1 µm, pois
com o microscópio ótico já era possível obter uma resolução de 0,5 µm. A partir daí,
modificações foram sendo introduzidas através de melhoras nos detectores. Em 1965 foi
então construído o primeiro MEV comercial pela Cambridge Scientific Instrument. A partir
daí, muitos avanços têm sido desenvolvidos, principalmente em relação à parte eletrônica,
computacional e as fontes de elétrons.
O MEV é constituído basicamente da coluna eletrônica e esta por sua vez é
constituída pelo canhão de elétrons e sistema de demagnificação, da unidade de varredura,
da câmara da amostra, do sistema de detectores e do sistema de visualização da imagem.
Observe a figura ilustrativa da montagem do MEV abaixo:
Figura 2.4: Representação esquemática dos componentes do MEV
Na coluna ótico-eletrônica fica localizado o canhão de elétrons, que gera os elétrons
primários, as lentes condensadoras, que colimam o feixe de elétrons primários, as bobinas,
que promovem a deflexão do feixe de elétrons primários no sentido horizontal e vertical
sobre uma dada região da amostra, e ainda as bobinas que fazem as correções de
astigmatismo. Toda a coluna deve estar sob vácuo durante a emissão do feixe de elétrons
primários. [81].
Dentro da câmara de vácuo, o feixe de elétrons (emitidos por efeito termiônico de
um fio de tungstênio), vindo do canhão de elétrons e depois colimado pelas lentes
magnéticas, atinge a amostra, e esta passa agora a emitir elétrons secundários de sua
superfície. A emissão de elétrons secundários pela amostra depende de sua topologia
superficial, bem como de outros fatores. Esses elétrons são captados por um detector que se
localiza logo acima da superfície da amostra, e que posteriormente os converte em imagem
digital.
Além da emissão de elétrons, a amostra emite também fótons, resultantes da
excitação eletrônica que sofre a amostra, os quais também são usados para a obtenção da
imagem final.
Portanto, com o MEV é possível obter tanto uma imagem geral da amostra, sendo
ela de no máximo aproximadamente 2 cm
2
, quanto detalhes com alta resolução, em torno
de 5 nm, de uma região específica. A ampliação fornecida pelo MEV pode chegar a
300.000 vezes. Sendo assim, podemos identificar imperfeições na topologia superficial,
fazer medidas de espessura através de imagem lateral ou simplesmente fazer uma análise
elementar da amostra, como discutido abaixo.
As microscopias superficiais e laterais dos filmes de NiFe foram realizadas no
Departamento de Química da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto
da Universidade de São Paulo pelo técnico Luciano Montoro, e as microscopias superficiais
e laterais dos filmes de NiFeCo foram realizadas na Central de Análises Clínicas
Instrumentais no Instituto de Química de São Carlos da Universidade de São Paulo pelo
técnico Carlos Alberto da Silva Bento.
2.3.3 – Espectroscopia de Energia Dispersiva ou (EDS)
Quando o feixe de elétrons de microscopia eletrônica de varredura atinge a amostra,
seus átomos são excitados e, ao voltarem para o estado fundamental, emitem fótons com
energias características do átomo. Os fótons são assim identificados em termos de sua
energia e contados pelo detector de raios-X localizado dentro da câmara de vácuo. Desta
forma o sistema adquire e gera o espectro relativo ao número de contagens em função da
energia, em keV, identificando os elementos químicos presentes na amostra. Além dos
espectros, o sistema realiza análise de pontos, linhas e regiões definidas sobre a imagem
adquirida da amostra e gera também mapa dos elementos sobre a imagem obtida. Logo
abaixo está um exemplo de como é dado o espectro de energia obtido a partir do EDS.
Os dois sistemas experimentais citados na seção anterior também possuem a
capacidade de realizar medidas de EDS juntamente com a microscopia.
Figura 2.5: Exemplo de espectro de energia de amostra de NiFe depositada com uma
densidade de corrente de 4 mA/cm
2
por um tempo de 40 minutos
2.3.4 – Medidas de Magnetometria
A técnica de magnetometria caracteriza amostras de material magnético através da
aplicação de um campo magnético externo, utilizando um sistema de bobinas. O
comportamento dos materiais magnéticos num campo externo é determinado pela origem
de seus dipolos magnéticos e pela natureza da interação entre eles [82]. Quando um
material magnético desmagnetizado é submetido a um campo magnético externo, temos a
formação da curva de magnetização, onde podemos destacar três regiões distintas (figura
2.6): (a) região de deslocamentos reversíveis, ou seja, para pequenos valores do campo
aplicado, teremos a reordenação original dos domínios magnéticos após a retirada do
campo; (b) região dos deslocamentos irreversíveis, ou seja, com um maior aumento do
campo externo, a magnetização cresce em razão dos deslocamentos das paredes dos
domínios, porém, esses deslocamentos são irreversíveis devido às imperfeições do material;
(c) região de saturação, ou seja, com valores de campo mais elevados ocorrem rotações de
domínios até a saturação ou magnetização completa do material, o valor da magnetização
no ponto onde todos os domínios estão alinhados é Ms.
Figura 2.6: Variação da magnetização de material magnético com o campo magnético
externo aplicado. (a) Região de deslocamentos reversíveis dos domínios magnéticos; (b)
Região dos deslocamentos irreversíveis dos domínios magnéticos; (c) Região de saturação
do material (rotações dos domínios)
Os domínios magnéticos surgem espontaneamente no material para reduzir a
energia do sistema [82]. Quando uma barra de material magnético sofre a ação de um
campo externo, os domínios magnéticos se comportam como mostrado na figura abaixo:
Figura 2.7: Estrutura dos domínios magnéticos numa barra de material ferromagnético,
submetida a um campo magnético externo. (a) Região de deslocamentos reversíveis dos
domínios magnéticos; (b) Região dos deslocamentos irreversíveis dos domínios
magnéticos; (c) Região de saturação do material
O aumento do campo magnético externo faz com que haja um deslocamento das
paredes dos domínios e à tendência de alinhamento com o campo. Esse alinhamento faz
com que os domínios alinhados em sentido inverso ao do campo, fiquem menores, até que a
barra passa a ter uma magnetização total no mesmo sentido do campo externo. A variação
do campo externo aplicado faz com que haja a formação da curva mostrada abaixo, ou seja,
o ciclo de histerese.
Figura 2.8: Curva de histerese de um material magnético
Quando o campo magnético diminui, o valor da magnetização não retorna pela
mesma curva do material virgem, por causa das rotações irreversíveis dos domínios
magnéticos, e isso faz com que haja um valor de magnetização quando o valor do campo
aplicado é zero. Essa magnetização é chamada de magnetização remanente (Mr), e é
resultado do aprisionamento de algumas paredes que fazem os domínios favoráveis à
magnetização prevalecerem sobre os desfavoráveis. Quando ocorre o aumento do campo
magnético no sentido oposto, a magnetização no material diminui gradativamente até
atingir o valor zero, e nesse ponto o valor do campo aplicado é negativo, e de valor Hc
(campo coercitivo). Fazendo todo o percurso mediante a variação do campo externo,
teremos a formação do ciclo de histerese. O ciclo ou curva de histerese define com clareza
o tipo de aplicação para qual o material pode ser utilizado [82]. No presente trabalho foram
realizadas medidas de magnetometria utilizando o Superconducting Quantum Interference
Devices (SQUID) como o elemento detector do equipamento e o Magnetômetro de
Amostra Vibrante (MAV).
2.3.4.1 – Superconducting Quantum Interference Device (SQUID)
O SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) atualmente é um dos
sistemas mais sensíveis, quando utilizado como elemento detector, para medidas de
pequenas variações de fluxo magnético (10
-12
Am
2
). O princípio físico de tal detector está
explicado no capítulo de introdução, onde vários medidores de campos magnéticos foram
discutidos.
Nossas medidas de magnetometria utilizando o MSQUID foram realizadas no
Laboratório de Materiais e Baixas Temperaturas no Departamento de Física da Matéria
Condensada – DFMC na Universidade de Campinas, pela estudante de Mestrado Tatiana
Midori Martins principalmente e pelo Pós-Doutorando Wallace de Castro Nunes. O
equipamento possui uniformidade no campo aplicado de 0.01% em 4cm, temperaturas que
vão de 1.9K a 400K, e resolução de campo aplicado de 2 Oe a 70000 Oe. Realizamos tais
medidas para todos os filmes de NiFeCo, todos depositados por um tempo de 40 minutos
variando somente a densidade de corrente entre os filmes.
2.3.4.2 – Magnetômetro de Amostra Vibrante (MAV)
Desenvolvido por S. Foner em 1955 o MAV(Magnetômetro de Amostra Vibrante) é
um dos magnetômetros mais utilizados em laboratórios de pesquisas, tendo como
características principais: boa performance, baixo custo e simples funcionamento. Na figura
2.7 mostramos um esquema do MAV. Fazendo uma amostra vibrar a uma certa freqüência,
será induzida uma voltagem alternada nas bobinas detectoras [83-84].
Figura 2.9: Esquema ilustrativo de um MAV [85]
Tal voltagem será dada por:
)2cos(2 ftfGAE
π
π
σ
=
(2.5)
sendo
σ
o momento magnético da amostra, G é função da geometria das bobinas de
detecção e A é a amplitude de vibração.
A amostra é fixada na extremidade de uma haste rígida podendo o campo ser
aplicado tanto perpendicularmente quanto paralelamente à direção de vibração da amostra.
A outra extremidade da haste é fixada a membrana de um alto-falante ou a um motor com
sistema de polias ou engrenagens. O alto-falante permite mais altas freqüências e mais
baixas amplitudes, sendo menos estável quanto a amplitude de vibração [86]. O MAV
possui uma sensibilidade de 10
-8
Am
2
. Podemos nos atentar a dois pontos: a medida de
magnetização feita com o deslocamento da amostra permite eliminar contribuições que não
pertencem à amostra, o segundo é que a medida é realizada com um amplificador lock-in, o
que proporciona um aumento na sensibilidade. O esquema mostrado abaixo ilustra
possíveis configurações sobre arranjos de bobinas de detecção [85-87]. O arranjo das
bobinas deve ser de forma que o sinal induzido seja máximo e que seja pouco sensível a
posição da amostra.
Figura 2.10: Arranjos de bobinas de detecção usadas no MAV
Se as bobinas de detecção trabalham à temperatura de helio líquido, a relação sinal-
ruído melhora, principalmente se enroladas com supercondutor. O níquel pode ser usado
para a calibração, ou melhor, para realizar a conversão do sinal medido em Volts para
magnetização em Am
2
. A magnetização do Ni satura com aproximadamente 400 kA/m.
Nossas medidas de magnetometria utilizando o MAV, foram realizadas no
Laboratório de Materiais e Baixas Temperaturas no Departamento de Física da Matéria
Condensada – DFMC na Universidade de Campinas pela aluna de Mestrado Tatiana Midori
Martins. Realizamos tais medidas para todos os filmes de NiFeCo e também para todos os
filmes de NiFe, todos depositados por um tempo de 40 minutos variando somente a
densidade de corrente entre os filmes.
Capítulo 3
Resultados e Discussões – Ligas de NiFe
Neste capítulo serão apresentados e discutidos resultados referentes à deposição da
liga de NiFe.
3.1 – Caracterização do Processo
Todos os métodos de caracterização foram realizados nos filmes depositados por 40
minutos e com 7 diferentes densidades de corrente: 4mA/cm
2
, 8 mA/cm
2
, 12 mA/cm
2
, 14
mA/cm
2
, 20 mA/cm
2
, 24 mA/cm
2
e 28 mA/cm
2
. Realizamos o estudo do processo de
deposição, baseado na massa depositada, espessura do filme calculada, tempo de deposição
e densidade de corrente.
Logo abaixo, mostramos a relação existente entre a densidade da massa, taxa de
deposição de massa e espessura do filme de NiFe com a densidade de corrente. O número
abaixo e à direita do gráfico corresponde ao coeficiente de correlação (r) e a tabela no canto
esquerdo superior corresponde aos parâmetros do ajuste.
0 5 10 15 20 25
30
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Regressão Polinomial:
Y = A + B1*X + B2*X^2
Parâmetro Valor Erro
-------------------------
A 0,27153 0,09893
B1 -0,00659 0,01421
B2 0,00266 4,30778E-4
Densidade de massa do filme (mg/cm
3
)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
0,99481
Figura 3.1: Densidade de massa do filme de NiFe em função
da densidade de corrente por um tempo de 40 minutos
0 5 10 15 20 25
30
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
Regressão Polinomial
Y = A + B1*X + B2*X^2
Parâmetro Valor Erro
------------------------------------
A 0,02422 0,01619
B1 0,00333 0,00233
B2 2,63825E-4 7,05039E-5
Taxa de deposição (mg/min)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
0,9936
Figura 3.2: Taxa de deposição do filme de NiFe em função
da densidade de corrente por um tempo de 40 minutos
0 5 10 15 20 25
30
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Regressão Polinomial
Y = A + B1*X + B2*X^2
Parâmetro Valor Erro
-------------------------------------
A 0,3001 0,11303
B1 - 0,00614 0,01623
B2 0,00303 4,92172E-4
Espessura (µm)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
0,99491
Figura 3.3: Espessura calculada pelo Método Gravimétrico
em função da densidade de corrente por um tempo de 40
minutos
0 5 10 15 20 25
30
0
2
4
6
8
10
12
0,99297
Regressão Polinomial
Y = A + B1*X + B2*X^2
Parametro Valor Erro
-------------------------------------------
A 8,42165 2,89511
B1 - 0,34916 0,39791
B2 0,0817 0,01203
------------------------------------------------
Taxa de crescimento de espessura (Å/s)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Figura 3.4: Taxa de crescimento da espessura em função da
densidade de corrente por um tempo de 40 minutos
Observando o gráfico da figura 3.1 notamos que a dependência da massa do filme
de NiFe com a densidade de corrente se dá de forma polinomial de ordem 2. Obviamente, o
mesmo ocorre para a taxa de deposição como visto na figura 3.2. Tal fato se deve às
diferentes características existentes entre os elementos níquel e ferro, principalmente ao
potencial de redução de cada um, que são mostrados na tabela 3.1. Sendo assim, para uma
mesma corrente, depositam-se quantidades de massa em porcentagem diferentes dos dois
elementos, resultado este, obtido através do EDS, que será discutido mais adiante, o porquê
do níquel ser depositado em maior quantidade que o ferro e atingir um equilíbrio após a
densidade de corrente de 15 mA/cm
2
.
Realizamos um estudo da espessura em função das várias densidades de corrente
para um mesmo tempo de deposição de 40 minutos para todos os filmes. A espessura dos
filmes foi calculada através de um método chamado Método Gravimétrico. Admitindo que
a densidade do material é dada por:
FeNiNiFe
hk
ρρρ
⋅+⋅=
(3.1)
sendo
NiFe
ρ
a densidade da liga de NiFe, k e h as frações de Ni e Fe presentes na amostra
respectivamente,
Ni
ρ
e
Fe
ρ
as densidades do Ni e Fe respectivamente.
As variáveis k e h dependem da densidade de corrente com que o filme foi
depositado. Essas porcentagens foram obtidas através do EDS. Os resultados específicos
serão apresentados na secção 3.2.3. Lembrando que densidade de um material é dada por:
dBA
m
v
m
)..(
==
ρ
(3.2)
sendo
m
a massa de NiFe depositada sobre o substrato,
v
o volume dessa massa, A a
largura, B o comprimento e d a espessura. Substituindo a equação (3.1) em (3.2)
encontramos a espessura do filme em função da densidade de corrente.
3.2 – Caracterização estrutural
Para realizarmos a caracterização estrutural dos nossos filmes, utilizamos o MEV
para a análise superficial e lateral, o EDS para analisar a quantidade em porcentagem de
massa de cada elemento presente em cada amostra, raios-X para estudar a estrutura e grãos
cristalinos da liga e finalmente a caracterização magnética através da análise do VSM, com
aplicações de campo magnético em perpendicular e em paralelo em relação à superfície da
amostra.
3.2.1 – MEV superficial
Logo abaixo, estão apresentadas as microscopias que analisam os filmes de NiFe
superficialmente para todas as densidades de corrente.
Notamos que em todos os filmes houve riscos devido às imperfeições no substrato
que foram lixados antes de serem utilizados. Ainda, visualmente, os filmes apresentaram
um prateado como cor característica de ligas metálicas. Utilizando métodos menos manuais
para o polimento, certamente, haverá melhoras na superfície dos filmes.
Para esses filmes realizamos o MEV lateral a fim de encontrar suas espessuras. Mas
infelizmente não conseguimos diferenciar o filme do substrato, pois quase não apresentam
contraste entre eles.
Figura 3.5 : MEV superficial para os filmes de NiFe
3.2.2 – Espectroscopia de Energia Dispersiva
O gráfico da figura 3.6 nos mostra a quantidade de elementos em porcentagem
presentes nas amostras variando a densidade de corrente pra cada uma delas. No gráfico
abaixo inserimos linhas para servir de guia para os olhos a fim de compreendermos o
comportamento dos elementos em cada amostra. Notamos pelo gráfico uma quantidade
crescente de ferro na amostra com o aumento da densidade de corrente.
0 5 10 15 20 25 30
10
20
70
80
90
Quantidade de elemento (%)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Ni
Fe
Figura 3.6: Quantidade de elementos em porcentagem presentes nos filmes de NiFe em
função da densidade de corrente
Os íons na solução se movimentam com diferentes velocidades, dependendo de seu
tamanho e carga. Temos basicamente duas causas para esta movimentação de íons: a
primeira é a difusão, que depende do gradiente da concentração, e a segunda é chamada
migração e depende do campo elétrico.
Na segunda coluna da tabela abaixo, temos as reações ocorridas na interface
eletrodo/eletrólito e na terceira, o potencial de deposição de cada material, tendo como
referência um eletrodo normal de hidrogênio (NHE) - constituído por um fio de platina em
uma solução ácida de hidrogênio aquosa na presença de gás a uma temperatura de 25
o
C
(esta situação arbitrariamente define o potencial 0,000 V).
Pares óxido-redutores Reações Potencial (V/NHE)
Ni
2+
/Ni Ni
2+
+ 2e = Ni -0,23
Co
2+
/Co Co
2+
+ 2e = Co -0,28
Fe
2+
/Fe Fe
2+
+ 2e = Fe -0,44
Tabela 3.1: Valores dos potenciais de Nernst para alguns materiais
Notamos na figura 3.6 que acima de 15 mA/cm
2
, as quantidades de ferro e níquel
parecem se estabilizarem. Sendo assim, as porcentagens dos elementos não estão
dependendo mais da densidade de corrente. Abaixo de 15 mA/cm
2
, as proporções se
alteram e por conseqüência faz com que as figuras de 3.1 a 3.4 apresentem características
não lineares nessa faixa de densidade de corrente. Através da tabela acima notamos que
para um menor potencial, ou uma pequena densidade de corrente, somente o níquel se
reduz ao eletrodo de trabalho. Quando aumentamos o potencial, com o aumento da
densidade de corrente, conseguimos depositar tanto o níquel quanto o ferro. A partir de 15
mA/cm
2
, as porcentagens de deposição desses dois elementos atinge uma certa estabilidade,
passando a depositar a mesma quantidade independente do potencial aplicado. Outro fator
que também colabora para que mais níquel seja depositado em maior quantidade nos
filmes, é que tal elemento está em maior abundância na solução quando comparado com a
quantidade de ferro, além de ser o constituinte do eletrodo auxiliar. Iremos notar mais
adiante que o comportamento da deposição dos elementos discutidos acima, explicará a
característica das curvas de histerese e consequentemente as coercividades magnéticas
obtidas.
O gráfico abaixo nos mostra a quantidade em porcentagem dos elementos que
compõem a liga em função do tempo de deposição para filmes depositados com uma
densidade de corrente de 14 mA/cm
2
.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
20
70
80
Quantidade de elemento (%)
Tempo de deposição (min)
Fe
Ni
Figura 3.7: Quantidade de elementos em porcentagem presentes nos filmes de NiFe em
função do tempo de deposição para uma densidade de corrente de 14 mA/cm
2
Notamos que no gráfico da figura 3.7 com o aumento do tempo de deposição houve
um aumento na quantidade de ferro depositada e consequentemente, uma diminuição na
quantidade de níquel, provavelmente devido a certa variação de níquel na solução. Tal
resultado só nos comprova que tanto com o aumento da densidade de corrente como com o
aumento do tempo, há um aumento na quantidade de ferro da amostra. Como notamos ser a
quantidade de ferro responsável pela coercividade magnética [88-91], percebemos que o
aumento do ferro prejudica a pequena coercividade dos filmes, fato que será discutido mais
adiante. Para todas as diferentes densidades de corrente utilizadas para depositar os filmes
até um tempo de 40 minutos, não houve grandes variações nas porcentagens de níquel e
ferro, como podemos ver no gráfico da figura 3.7. No momento em que utilizamos um
tempo de deposição maior que 40 minutos, toda essa composição muda, alterando
provavelmente as propriedades magnéticas do filme. Realizamos o estudo da composição
em função do tempo de deposição somente para uma densidade de corrente, mas se
tivéssemos realizado o estudo para as outras densidades, esperávamos que até 40 minutos,
todas as amostras apresentariam a mesma composição dos elementos. Em relação ao
comportamento da curva do gráfico para outras densidades de corrente, podemos pensar
que à medida que aumentamos essa densidade, o comportamento das composições sairia de
um equilíbrio mais rapidamente.
3.2.3 – Raios–X
Logo abaixo estão mostrados os espectros de difração de raios-X para as sete
diferentes densidades de corrente, e tempos totais de deposição de 40 minutos.
40 50 60 70 80 90 100
0
1
2
3
4
5
(311)
(220)
(200)
(111)
Intensidade (unid. arb)
2θ
Eletrodo de Trabalho
(Substrato de Cobre)
40 50 60 70 80 90 100
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
a) 4 mA/cm
2
Intensidade (unit. arb)
2θ
40 50 60 70 80 90 100
0
500
1000
1500
2000
2500
Intensidade (unit. arb)
2θ
b) 8 mA/cm
2
40 50 60 70 80 90 100
0
500
1000
1500
2000
Intensidade (unit. arb)
2θ
c) 12 mA/cm
2
40 50 60 70 80 90 100
0
500
1000
1500
2000
Intensidade (unit. arb)
2θ
d) 14 mA/cm
2
40 50 60 70 80 90 100
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Intensidade (unit. arb)
2θ
e) 20 mA/cm
2
40 50 60 70 80 90 100
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Intensidade (unit. arb)
2θ
f) 24 mA/cm
2
40 50 60 70 80 90 100
0
200
400
600
800
1000
1200
Intensidade (unit. arb)
2θ
g) 28 mA/cm
2
Figura 3.8: Difração de raios-X para o substrato de eletrodo de cobre e difração de raios-X
para todas as densidades de correntes, nos mostrando intensidade do pico em função do
ângulo de difração
40 50 60 70 80 90 100
0
2
4
6
8
10
12
14
Intensidade (unid. arb)
2θ (graus)
Figura 3.9: Gráfico das difrações de raios-X para todas as densidades de corrente
Utilizamos o banco de dados do próprio programa do difratômetro, Joint Committe
Powder Diffraction Standards (JCPDS) com a ajuda do técnico Lorivaldo, em que
realizamos as nossas medidas.
O gráfico da figura 3.9 representa as difrações de raios-X de todos os filmes,
mostrando a relação existente em todos os picos. Tal gráfico nos mostra também a direção
de crescimento preferencial do pico relacionado ao filme de NiFe. Os picos referentes ao
substrato e suas direções preferenciais de crescimento estão mostrados na figura 3.8.
O pico com crescimento preferencial na direção (110) corresponde a um pico
referente à liga de NiFe. Notamos que esse pico cresce à medida que aumentamos a
densidade de corrente que utilizamos para depositar os filmes, isso quer dizer que estamos
aumentando a massa depositada do filme sobre o substrato. Tal observação vale também
S
S
(110)
(200)
para o pico com direção preferencial de crescimento (200) referente ao elemento níquel,
que cresce discretamente com o aumento da densidade de corrente. Já os picos que
correspondem ao substrato de cobre, todos eles decrescem à medida que aumentamos a
densidade de corrente com que depositamos o filme, tal fato se dá devido ao maior
recobrimento que ocorre do substrato quando aumentamos a densidade de corrente.
Os gráficos abaixo representam as áreas integradas sob cada curva de cada pico.
Com tal resultado podemos analisar a porcentagem relativa(semi-quantitativa) de material
cristalizado na amostra. Primeiramente mostraremos os gráficos referentes às áreas
integradas do substrato e depois mostraremos o gráfico da área integrada correspondente ao
pico do filme de NiFe.
0 5 10 15 20 25 30
0
200
400
600
800
1000
1200
Área Integrada (unid.arb)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
(111)
-0,99372
0 5 10 15 20 25 30
100
150
200
250
300
350
400
450
Y = A + B * X
Parameter Value Error
-----------------------------------------------
A 59,92222 29,62645
B 15,07068 1,67881
Área Integrada (unid. arb)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Pico (110)
0,97035
0 5 10 15 20 25 30
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
A(F1)/A(S1)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Figura 3.12: Razão da área integrada do pico (110) referente ao filme de NiFe e da área
integrada do pico (111) referente ao substrato de cobre
Figura 3.10: Gráfico da área integrada
do pico (111) referente ao substrato
Figura 3.11: Gráfico da área integrada
do pico (110) referente ao filme de NiFe
0 5 10 15 20 25 30
150
200
250
300
350
400
450
500
Área Integrada (unid. arb)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
(200)
-0,9954
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
160
180
200
220
240
260
Área Integrada (unid. arb)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Pico (200) NiFe
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
A(F2)/A(S2)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
0,97962
Figura 3.15: Razão da área integrada do pico (200) referente ao filme de NiFe e da área
integrada do pico (200) referente ao substrato de cobre
Pudemos notar que à medida que aumentamos a densidade de corrente, ocorre uma
diminuição na intensidade, pois ocorre um aumento no acúmulo de material sobre o
substrato, escondendo dessa forma os picos referentes ao substrato. Já os gráficos 3.12 e
3.15 são referentes aos picos de difração do filme de NiFe. Notamos que ocorre um
aumento da área integrada à medida que aumentamos a densidade de corrente, ou seja, o
filme da liga de NiFe tende a se organizar preferencialmente ao longo de alguns planos
cristalinos com o aumento da densidade de corrente.
Figura 3.13: Gráfico da área integrada
do pico (200)
referente ao substrato
Figura 3.14: Gráfico da área integrada
do pico (200)
referente ao filme de NiFe
Analisamos também o tamanho do grão que estamos obtendo para cada densidade
de corrente. O tamanho dos grãos cristalinos (d) foi estimado a partir da relação de Debye-
Scherrer [77] que nos fornece um resultado aproximado da dimensão dos cristais através
dos resultados obtidos na difração de raios-X:
θθ
λ
cos
9,0
⋅∆
=d
(3.3)
sendo
λ
o comprimento de onda da radiação utilizada,
θ
o ângulo de espalhamento e
θ
∆
(em radianos) é a largura a meia altura do pico em análise.
O gráfico da figura 3.16 nos mostra a relação entre o tamanho do grão calculado
através do pico de difração (110) referente à liga de NiFe. Os tamanhos dos grãos foram
calculados de maneira amplificada através da equação de Debye-Scherrer para cada curva
referente à cada densidade de corrente.
0 5 10 15 20 25 30
130
140
150
160
170
180
Tamanho do grão (Angstrons)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Figura 3.16: Gráfico do tamanho do grão em função da densidade de corrente
Pudemos notar através do gráfico que os grãos de maior dimensão foram
encontrados nos filmes depositados com densidades de corrente próximas a 15 mA/cm
2
.
O gráfico nos mostra que para as menores densidades de corrente, ocorre um aumento no
número de núcleos de crescimento dos cristais. Para densidades de corrente num intervalo
de 12 mA/cm
2
a 16 mA/cm
2
os cristais apresentaram uma velocidade ideal de crescimento
dos grãos formadores dos cristais, e para densidades de corrente que ultrapassaram o valor
desse intervalo, provavelmente teve uma diminuição no tamanho dos grãos devido a um
crescimento muito rápido dos núcleos, não dando tempo para a melhor formação dos
cristais nas duas direções do mesmo.
Os grãos com maiores dimensões tendem a se organizar melhor e também possuem menos
defeitos quando comparados com os menores grãos, onde a probabilidade do defeito de
borda aumenta. Sendo assim, notamos que quando a rede está mais cristalina, ou seja, com
grãos maiores, a coercividade magnética tenderá a ser menor como veremos nos resultados
seguintes.
3.3 – Caracterização Magnética
Os filmes depositados com densidades de corrente de 4, 8, 12, 14, 20, 24 e 28
mA/cm
2
por um tempo de 40 minutos, foram submetidos a análises magnéticas. Utilizamos
o MAV para analisar as amostras com campos aplicados tanto paralelamente quanto
perpendicularmente. Abaixo serão apresentados os resultados das magnetizações e suas
respectivas análises, buscando encontrar o melhor filme para desenvolver o microsensor
magnético.
3.3.1 – Caracterização magnética com o campo aplicado em paralelo
Abaixo estão apresentados os gráficos de magnetização normalizada em função do
campo aplicado paralelamente a amostra e suas respectivas ampliações. Com os gráficos de
histerese, estudamos a coercividade magnética do filme.
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
a) 4 mA/cm
2
_paralelo
-30 -20 -10 0 10 20 30
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
b) 4 mA/cm
2
_paralelo_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
c) 8 mA/cm
2
_paralelo
-6 -4 -2 0 2 4 6
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
d) 8 mA/cm
2
_paralelo_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-0,8
0,0
0,8
1,6
M/M
S
H (kA/m)
e) 12 mA/cm
2
_paralelo
-3 -2 -1 0 1 2 3 4
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
f) 12 mA/cm
2
_paralelo_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,4
-0,7
0,0
0,7
1,4
M/M
S
H (kA/m)
g) 14 mA/cm
2
_paralelo
-2 -1 0 1 2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H (kA/m)
h) 14 mA/cm
2
_paralelo_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
i) 20 mA/cm
2
_paralelo
-2 -1 0 1 2
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H (kA/m)
j) 20 mA/cm
2
_paralelo_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
k) 24 mA/cm
2
_paralelo
-2 -1 0 1 2
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
l) 24 mA/cm
2
_paralelo_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,4
-0,7
0,0
0,7
1,4
M/M
S
H (kA/m)
m) 28 mA/cm
2
_paralelo
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H (kA/m)
n) 28 mA/cm
2
_paralelo_ampliação
Figura 3.17: Gráficos da magnetização normalizada em função do campo magnético
aplicado pelo MAV paralelamente às amostras
Mais adiante, no gráfico da figura 3.19, analisaremos o comportamento da
coercividade magnética com o aumento da densidade de corrente, e consequentemente
relacionar esse comportamento com as quantidades de ferro e níquel presentes na amostra.
Notamos que quando aplicamos o campo tanto em perpendicular ou em paralelo
através do MAV com a amostra, em algumas delas houve um deslocamento da simetria
central da curva de histerese para a esquerda. Tal ocorrido se deve a certo desajuste do
próprio equipamento, mas preferimos mesmo assim apresentar aqui os dados originais não
corrigidos, mas para realizar as contas, eles foram corrigidos.
3.3.2 - Caracterização magnética com o campo aplicado em perpendicular
Abaixo estão apresentados os gráficos de magnetização em função do campo
magnético aplicado perpendicularmente á amostra e suas respectivas ampliações.
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
a) 4 mA/cm
2
_perpendicular
-30 -20 -10 0 10 20 30
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H (kA/m)
b) 4 mA/cm
2
_perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
c) 8 mA/cm
2
_perpendicular
-30 -20 -10 0 10 20 30
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
M/M
S
H (kA/m)
d) 8 mA/cm
2
_perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
e) 12 mA/cm
2
_perpendicular
-6 -4 -2 0 2 4 6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
M/M
S
H (kA/m)
f) 12 mA/cm
2
_perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
g) 14 mA/cm
2
_perpendicular
-10 -5 0 5 10
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
M/M
S
H (kA/m)
h) 14 mA/cm
2
_perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
i) 20 mA/cm
2
_perpendicular
-10 -5 0 5 10
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
M/M
S
H (kA/m)
j) 20 mA/cm
2
_perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
k) 24 mA/cm
2
_perpendicular
-10 -5 0 5 10
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
M/M
S
H (kA/m)
l) 24 mA/cm
2
_perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H (kA/m)
m) 28 mA/cm
2
_perpendicular
-6 -4 -2 0 2 4 6
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
M/M
S
H (kA/m)
n) 28 mA/cm
2
_perpendicular_ampliação
Figura 3.18: Gráficos da magnetização normalizada em função do campo magnético
aplicado pelo MAV perpendicularmente às amostras
O gráfico abaixo representa a coercividade magnética com o campo aplicado
perpendicularmente à amostra e paralelamente à amostra plotados em um único gráfico.
0 5 10 15 20 25 30
0
1
2
3
4
5
6
H
C
(KA/m)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Coercividade paralelo 0,99826
Coercividade perpendicular 0,97113
Figura 3.19: Gráfico da coercividade magnética de todos os filmes em função da densidade
de corrente, comparando as medidas com campo aplicado em paralelo e
perpendicularmente
Notamos que a partir de 15 mA/cm
2
, as corecividades nas duas direções tendem a
um valor estacionário, independendo a partir daí da densidade de corrente aplicada. Sendo
assim, podemos pensar que esse comportamento nada mais é que um reflexo do gráfico de
EDS, ou seja, a quantidade de ferro na amostra está definindo a coercividade em cada caso,
pois o ferro é utilizado largamente por sua maleabilidade, pouca dureza, grande resistência
ou seu ferromagnetismo doce (alta permeabilidade, fraco campo coercitivo). Á medida que
aumentamos a densidade de corrente, aumenta-se a quantidade de ferro que é depositado na
amostra, com isso, a coercividade magnética vai diminuindo até atingir um valor mínimo e
a partir daí entrar em equilíbrio, como ocorre no gráfico do EDS.
Comparando as coercividades magnéticas entre os campos aplicados em diferentes
direções, pudemos ver que há diferença de coercividade para as duas direções. A
coercividade varia muito pouco com a densidade de corrente quando o campo é aplicado
paralelamente, enquanto que houve uma variação na coercividade com a densidade de
corrente quando aplicamos o campo perpendicular à amostra. Então podemos concluir que
houve, no caso de filmes de NiFe, uma anisotropia na resposta magnética do filme.
Provavelmente o que pode estar ocorrendo é que quando magnetizamos o filme com um
campo em paralelo ao mesmo, mais momentos magnéticos estão sendo sensibilizados em
direção ao campo e consequentemente interagem com mais vizinhos. Quando aplicamos o
campo em perpendicular à amostra, menos momentos magnéticos são magnetizados na
direção do campo aplicado, sendo assim, a interação será com menos vizinhos. Por outro
lado, observamos também através do gráfico da figura 3.19 que os melhores filmes a serem
utilizados para a construção do sensor, foram depositados com densidades de corrente de 14
mA/cm
2
por apresentarem uma menor coercividade magnética. Essa mínima coercividade
se relaciona diretamente à quantidade de ferro na amostra, material que determina a
coercividade nos filmes, ou seja, a quantidade de ferro presente nessas amostras se mostrou
“ideal”. Também notamos que a coercividade se relaciona com o tamanho do grão
cristalino, ou seja, quanto maior o grão, menor é a coercividade. O menor valor que
obtivemos para a coercividade foi de 58,4 A/m para uma densidade de corrente de 24
mA/cm
2
, considerando que as coercividades para as densidades de 14, 20 e 24 mA/cm
2
foram extremamente próximas.
0 5 10 15 20 25 30
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
M
S
(emu)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Campo perpendicular (NiFe-MAV)
Campo paralelo (NiFe-MAV)
Figura 3.20: Magnetização de saturação em função da densidade de corrente para o campo
aplicado em paralelo e em perpendicular em relação ao filme utilizando o MAV
Através da figura acima, vemos que a magnetização de saturação sempre será maior
quando aplicamos o campo em paralelo à amostra independente da densidade de corrente.
Podemos pensar que quando aplicamos o campo em paralelo à amostra, mais dipolos
magnéticos estarão sendo magnetizados, enquanto que quando aplicamos o campo em
perpendicular não conseguimos magnetizar muitos dipolos para a orientação do campo. E
também, à medida que aumentamos a densidade de corrente, a magnetização de saturação
aumenta, pois ocorre um aumento de acúmulo de material sobre o substrato. Sendo assim,
quanto mais material, mais dipolos e maior será a magnetização de saturação.
Observando as caracterizações estruturais notamos que a partir de 14 mA/cm
2
a
densidade de massa do filme, a taxa de deposição, a espessura e também a taxa de
crescimento da espessura apresentaram uma característica linear com o aumento da
densidade de corrente. O gráfico do EDS nos permitiu concluir que tal estabilidade a partir
de 14 mA/cm
2
é devido a quantidade de ferro que se deposita no material, essa quantidade
de ferro encontrada no filme de 14 mA/cm
2
fez com que o filme apresentasse o maior grão
cristalino e também a menor coercividade magnética com o campo aplicado em paralelo à
amostra. Portanto, o melhor resultado encontrado para a construção do sensor, foi o filme
depositado a 14 mA/cm
2
por um tempo de 40 minutos.
Procurando um melhor resultado, como encontrar um filme que seja
magneticamente isotrópico, e também buscando melhorias nos resultados de caracterização
estrutural, no próximo capítulo mostraremos resultados referentes a filmes contendo
cobalto como parte da liga de NiFe. A adição do cobalto será feita por meio do eletrodo
auxiliar somente.
Capítulo 4
Resultados e Discussões – Ligas de NiFeCo
Neste capítulo serão apresentados e discutidos resultados referentes à deposição da
liga de NiFeCo.
4.1 – Caracterização do Processo
Todos os métodos de caracterização foram realizados nos filmes depositados por 40
minutos e com 8 diferentes densidades de corrente: 4mA/cm
2
, 8 mA/cm
2
, 12 mA/cm
2
, 14
mA/cm
2
, 16 mA/cm
2
, 20 mA/cm
2
, 24 mA/cm
2
e 28 mA/cm
2
. E todos os filmes acima são
constituídos da liga NiFeCo.
4.1.1 – Massa do filme em função da densidade de corrente
No gráfico abaixo estão representados os filmes que foram eletrodepositados com 8
diferentes densidades de corrente. Para uma mesma densidade de corrente, depositamos 2
filmes utilizando tempos diferentes: 40 minutos e 60 minutos. Tal procedimento foi
repetido para todas as diferentes densidades de corrente já citadas acima.
0 5 10 15 20 25
30
0
2
4
6
8
10
12
Densidade de massa do filme (mg/cm
2
)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
60 min
40 min
0,99374
0,97363
Figura 4.1: Gráfico da densidade de massa do filme de NiFeCo em função da densidade de
corrente de deposição para filmes depositados por 40 minutos comparados com filmes
depositados por 60 minutos
Através da figura 4.1, notamos que quanto maior for o tempo de deposição do filme,
maior será a massa de NiFeCo aderida ao substrato de cobre, e também que quanto maior
for a densidade de corrente de deposição também será maior a massa depositada, esperando
assim, que ocorra também um aumento na espessura do filme, sendo que o estudo da
espessura será o próximo parâmetro importante a ser analisado. Vimos também que quanto
maior o tempo de deposição, menor será o erro no ajuste linear que realizamos na análise e
que, densidade de massa em função da densidade de corrente são grandezas diretamente
proporcionais para filmes da liga ternária de NiFeCo. Essa proporcionalidade é importante,
pois nos leva a entender que como os três elementos da liga apresentam características
próprias distintas, o níquel e ferro depositam em quantidades de massa diferentes com o
tempo, e o cobalto é o elemento que de alguma forma, supre essa diferença, tornando
densidade de massa da liga em função da densidade de corrente, grandezas diretamente
proporcionais.
4.1.2 – Massa do filme em função do tempo
A seguir, a figura 4.2 nos mostra resultados para filmes que foram depositados a
uma densidade de corrente constante de 12 mA/cm
2
, variando somente o tempo de
deposição para cada filme: 10, 20, 30, 40, 50 e 60 minutos. O mesmo procedimento foi
repetido para filmes depositados com uma densidade de corrente de 16 mA/cm
2
.
0 10 20 30 40 50 60
0
1
2
3
4
5
6
7
Densidade de massa do filme (mg/cm
2
)
Tempo de deposição (min)
12 mA/cm
2
16 mA/cm
2
0,99583
0,97674
Figura 4.2: Gráfico da densidade de massa do filme de NiFeCo em função do tempo de
deposição em minutos para duas diferentes densidades de corrente
Comparando os filmes que foram depositados a 12 mA/cm
2
com os filmes que
foram depositados a 16 mA/cm
2
, vimos que utilizando agora um mesmo tempo de
deposição, os filmes depositados com maior densidade de corrente apresentaram um maior
acúmulo de massa da liga NiFeCo aderida ao substrato de cobre e também quanto maior é o
tempo de deposição, maior será a massa de NiFeCo depositada, ou seja, densidade de
massa do filme de NiFeCo e tempo de deposição são grandezas diretamente proporcionais.
Essa proporcionalidade se deve ao cobalto que supre a diferença de deposição em
porcentagem de massa do níquel em relação ao ferro. Tal resultado é interessante, já que
cada elemento possui taxa de deposição diferente. Assim, a variação da quantidade de
elemento será influenciada pelo outro, como veremos pelos resultados de EDS. Quando
aumentamos a densidade de corrente, o substrato, ou melhor, nosso eletrodo de trabalho,
desenvolverá uma maior densidade de carga superficial durante o processo de
eletrodeposição. Sendo assim, os íons dissolvidos na solução eletrolítica terão mais contato
com um maior número de cargas num mesmo intervalo de tempo para poderem se
reduzirem, formando desta forma o filme. Assim, a oxidação no eletrodo auxiliar, ou
melhor, no ânodo, ocorrerá de uma maneira mais rápida, mais agitada, liberando mais íons
para a solução, obtendo como resultado um aumento na quantidade de massa depositada no
eletrodo de trabalho por unidade de tempo. Veremos mais adiante que com o estudo do
EDS que existe uma densidade de corrente em que a quantidade de cobalto começa a
aumentar muito em relação à quantidade de ferro. Perceberemos que um ponto interessante
para nossos estudos é quando essas duas quantidades são praticamente iguais.
4.1.3 – Taxa de deposição de massa em função da densidade de corrente
Os gráficos 4.3 a) e 4.3 b) nos mostram a dependência da taxa de deposição com a
densidade de corrente. Comparando os gráficos, pudemos notar que para os filmes que
foram depositados por um tempo de 60 minutos o ajuste linear é melhor, pois com o
aumento do tempo de deposição, há um aumento da massa depositada no substrato. Sendo
assim, os filmes que foram depositados por mais tempo, sofrem pouca influência do erro da
balança que mensurou a massa, ou seja, de 0,005 mg, por isso o melhor ajuste quando
comparado com filmes que foram depositados por 40 minutos.
0 5 10 15 20 25 30
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
Parameter Value Error
-----------------------------------------------
A -0,01795 0,01636
B 0,0079 9,37731E-4
-------------------------------------------
Taxa de deposição(mg/min)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
a) 40 min
0,96021
0 5 10 15 20 25 30
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
Parameter Value Error
---------------------------------------------------
A -0,00514 0,00635
B 0,00706 3,54971E-4
---------------------------------------------------
Taxa de deposição(mg/min)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
b) 60 min
0,99374
Figura 4.3: Taxa de deposição de massa do filme da liga ternária NiFeCo em função da
densidade de corrente para os filmes depositados por a) 40 minutos e b) 60 minutos
Considerando xbay
⋅
+
=
, podemos notar que a inclinação das curvas é
praticamente a mesma. Sendo assim, podemos comparar as curvas somente através do
coeficiente de correlação, mostrando que a curva b) apresenta um melhor ajuste.
4.1.4 – Espessura do filme em função densidade de corrente
Realizamos o mesmo estudo da espessura em função das várias densidades de
corrente para um mesmo tempo de deposição de 40 minutos para todos os filmes. A
espessura dos filmes foi calculada através do Método Gravimétrico. Admitindo que a
densidade do material é dada por:
CoFeNiNiFe
yhk
ρρρρ
+⋅+⋅=
(4.1)
sendo
NiFeCo
ρ
a densidade da liga ternária NiFeCo, k , h e y as porcentagens de Ni, Fe e Co
presentes na amostra respectivamente,
Ni
ρ
,
Fe
ρ
e
Co
ρ
as densidades do Ni, Fe e Co
respectivamente.
As variáveis k , h e y dependem da densidade de corrente com que o filme foi
depositado. Essas porcentagens foram obtidas através do EDS. Lembrando que densidade
de um material é dada por:
dBA
m
v
m
)..(
==
ρ
(4.2)
sendo
m
a massa de NiFeCo depositada sobre o substrato,
v
o volume dessa massa, A a
largura, B o comprimento e d a espessura. Substituindo a equação (4.1) em (4.2)
encontramos a espessura do filme em função da densidade de corrente.
O gráfico abaixo nos mostra exatamente a relação entre a espessura do filme em
função da densidade de corrente com que o filme foi depositado.
0 5 10 15 20 25 30
0
2
4
6
8
10
0,96792
Espessura calculada do filme (µm)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Figura 4.4: Espessura calculada do filme de NiFeCo em função da densidade de corrente
para filmes depositados por 40 minutos
0 5 10 15 20 25 30
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Taxa de crescimento da espessura (Å/s)
Densidade de corrente mA/cm
2
0,95945
Figura 4.5: Taxa de crescimento da espessura do filme em função da densidade de corrente
para filmes depositados por 40 minutos
Durante o crescimento, dependendo da mobilidade atômica dos átomos na
superfície, pode haver o desenvolvimento de uma fase amorfa ou cristalina no filme. O grau
de mobilidade está associado, principalmente, com a temperatura usada no processo de
deposição. Em baixas temperaturas, ou melhor, baixa mobilidade há a formação
preferencial de fase amorfa e altas temperaturas, ou alta mobilidade, há a formação
preferencial de fase cristalina. Em filmes cristalinos, após ser atingida a continuidade do
filme, com o aumento da espessura se desenvolve uma estrutura granular. Deposições em
altas temperaturas tendem, normalmente, a produzir grãos maiores e consequentemente
filmes menos rugosos, em comparação com deposições em baixas temperaturas. Os nossos
filmes foram depositados em temperatura ambiente.
Analisando os gráficos acima, pudemos notar que a espessura é diretamente
proporcional com a densidade de corrente com que depositamos o filme. Essa
proporcionalidade já era esperada devido às proporcionalidades encontradas em todas as
relações já estudadas acima. Ainda notamos que a taxa da espessura para todas as correntes,
quando comparada com as taxas dos filmes de NiFe, são maiores, ou melhor, os filmes de
NiFeCo, para o mesmo tempo de deposição, acumulam mais matéria sobre o substrato que
os filmes de NiFe.
4.2 – Caracterização estrutural
Para a análise estrutural dos filmes, realizamos a Microscopia Eletrônica de
Varredura (MEV) superficial, lateral, Espectroscopia de Energia Dispersiva e difração de
raios-X. Logo abaixo, estão separados em subitens os vários métodos de análise, mostrando
os resultados e consequentemente suas respectivas discussões. Todas as análises foram
feitas para os mesmos filmes, ou seja, depositados com uma densidade de corrente de 4, 8,
12, 14, 16, 20, 24 e 28 mA/cm
2
com um tempo de duração de 40 minutos para cada
densidade de corrente.
4.2.1 – Microscopia Eletrônica de Varredura superficial
Logo abaixo estão apresentadas as Microscopias Eletrônicas de Varredura (MEV)
das amostras para todas as densidades de corrente estudadas no presente trabalho. A fim de
construir um micro-sensor, tivemos que estudar a superfície dos filmes finos
eletrodepositados esperando obter a superfície mais homogênea possível. A tentativa em se
obter geometrias diminutas dos dispositivos resultam, muitas vezes, em circuitos com
superfícies bastante rugosas. Os filmes nelas depositados devem ter boa aderência, baixa
tensão e prover uma boa cobertura de degraus [92-94].
No processo de eletrodeposição pode ocorrer a formação de bolhas de hidrogênio,
sendo assim, estudamos a topologia dos filmes mostradas abaixo. Pudemos notar que houve
a formação das bolhas de hidrogênio nas figuras 4.6, 4.7, pois conseguimos ver poros no
recobrimento do filme. Já no restante das figuras não observamos a formação dessas bolhas
devido ao aumento na densidade de corrente, concluindo que, como já foi dito
anteriormente, com uma maior densidade de corrente o processo de redução dos íons e
aderência da liga metálica no substrato, ocorre de maneira mais rápida e agitada, e
consequentemente não ocorre a formação de bolhas, ou mesmo a taxa de formação das
bolhas é menor para densidades de corrente maiores. A formação de bolhas no filme é um
processo indesejável para o nosso caso, pois as bolhas representariam defeitos, formando
uma liga metálica porosa, atrapalhando assim a condutividade elétrica do filme.
a) b)
Figura 4.6: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 4 mA/cm
2
a) b)
Figura 4.7: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 8 mA/cm
2
a) b)
Figura 4.8: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 12 mA/cm
2
a)
Figura 4.9: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 14 mA/cm
2
a) b)
Figura 4.10: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 16 mA/cm
2
a) b)
Figura 4.11: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 20 mA/cm
2
Houve um problema com a
microscopia superficial referente à
amostra depositada por 40 minutos a
uma densidade de corrente de 14
mA/cm2 com uma escala de 50 µm, e
como as imagens foram realizadas
em São Carlos o procedimento não
pôde ser repetido.
a) b)
Figura 4.12: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 24 mA/cm
2
a) b)
Figura 4.13: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 28 mA/cm
2
Notamos ainda que, em todos os filmes, houve ranhuras devido às imperfeições no
substrato que foram lixados antes de serem utilizados, não esquecendo que a rugosidade no
filme também é devida ao tamanho dos grãos que foram formados. Talvez, com um
processo menos manual de polimento, o substrato poderia apresentar uma melhor superfície
para depositar os filmes. Ainda, visualmente, os filmes apresentaram um prateado como cor
característica de ligas metálicas. Sendo assim, podemos evitar as bolhas com processos de
agitação durante a deposição para pequenas densidades de corrente, melhorar a superfície
do substrato antes do processo de eletrodeposição e deposições em alta temperatura tendem
a produzir filmes menos rugosos [92-94]. Com esses três processos, com certeza
obteríamos melhorias na superfície do filme, ponto fundamental para a construção de
micro-sensores. Visualmente, pudemos notar que a superfície dos filmes melhora à medida
que se aumenta a densidade de corrente, e uma superfície bastante regular é a do filme
depositado com uma densidade de corrente de 24 mA/cm
2
.
4.2.2 – Microscopia Eletrônica de Varredura lateral
Logo abaixo estão apresentadas a vista lateral dos filmes para todas as densidades
de corrente com um tempo de deposição de 40 minutos. Tendo como objetivo estudar a
espessura de cada filme variando a densidade de corrente, realizamos o estudo da visão
lateral do filme feita através da microscopia (MEV) e também analisarmos se tal resultado
obtido confere e pode ser comparado com o resultado mostrado da figura 4.4, pois lá
estudamos a espessura utilizando somente os dados de EDS como dados experimentais para
o cálculo da espessura através do Método Gravimétrico.
Figura 4.14: MEV lateral referente a
amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 4mA/cm
2
Figura 4.15: MEV lateral referente a
amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 8 mA/cm
2
Figura 4.16: MEV lateral referente a
amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 12 mA/cm
2
Figura 4.17: MEV lateral referente a amostra
depositada por 40 minutos a uma densidade
de corrente de 14 mA/cm
2
Figura 4.18: MEV lateral referente a
amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 16 mA/cm
2
Figura 4.19: MEV lateral referente a
amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 20 mA/cm
2
Figura 4.20: MEV lateral referente a
amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 24 mA/cm
2
Figura 4.21: MEV lateral referente a
amostra depositada por 40 minutos a uma
densidade de corrente de 28 mA/cm
2
Observando a figura 4.14, 4.15 e 4.16, pudemos notar que com a microscopia não
fomos capazes de distinguir as espessuras dos filmes, talvez por serem extremamente finos,
ou mesmo por difícil separação entre filme e substrato. Notamos ainda para esses filmes,
que a aderência é melhor quando comparado com os filmes seguintes, lembrando que a
aderência depende bastante da limpeza e rugosidade do substrato. Uma certa rugosidade
pode aumentar a aderência (maior área de contato). Rugosidade excessiva no entanto pode
gerar defeitos de cobertura prejudicando a adesão. Já nas figuras de 4.17 a 4.21,
conseguimos diferenciar o que é filme do que é substrato. Notamos também que à medida
que aumentamos a densidade de corrente de deposição, o filme tende a se soltar do
substrato pelas bordas, ou seja, o filme começa a perder a aderência nas bordas. Podemos
ter uma idéia do que está acontecendo com os filmes, observando a figura 4.22 abaixo e
admitindo que todo filme possua uma tensão interna:
Figura 4.22: Esquema ilustrativo do substrato mais filme tencionado por expansão
A tensão interna de um filme pode ser de compressão ou de expansão. Filmes com
tensões de compressão tendem a expandir paralelamente à superfície do substrato. Em
casos extremos podem formar protuberâncias na superfície. Filmes com tensões de
expansão tendem a se contrair paralelamente ao substrato, podendo apresentar fissuras ao
exceder seu coeficiente de elasticidade. Normalmente, as tensões em um filme variam entre
10
8
a 10
10
dinas/cm
2
. Uma tensão de expansão pode curvar o substrato tornando-o côncavo,
como mostra a figura 4.21. A tensão do filme será dada por:
T
r
DE
⋅⋅
⋅
=
6
σ
(4.3)
onde
σ
é a tensão, E é o módulo de Young do substrato D é a espessura do substrato, r é o
raio de curvatura do substrato e T é a espessura do filme [95]. Como os nosso filmes
apresentaram espessuras muito próximas, as tensões que os filmes das figuras acima
apresentaram, serão muito parecidas. Sendo assim, não diferenciamos os filmes pelas
tensões sofridas e sim porque eles sofreram tensões fazendo o filme perder a aderência com
as bordas provavelmente pela alta taxa com que a liga NiFeCo foi depositada sobre o
substrato. Ainda como conseqüência dessa tensão no filme, temos um efeito de borda
devido a eletrostática, que quando realizamos o MEV lateral das amostras, notamos
nitidamente que a amostra depositada com densidade de corrente de 20 mA/cm
2
apresentou a espessura bem elevada quando comparada com as medidas do Método
Gravimétrico que seria um tipo de medida esperada.
Filme Fino
Substrato
Partiremos agora para comparação entre a espessura calculada pelo Método
Gravimétrico e a espessura medida através da Microscopia Eletrônica de Varredura.
A tabela abaixo relaciona as medidas que foram comparadas:
Espessuras
Densidade de corrente Método Gravimétrico MEV
4(mA/cm
2
) 0,61 µm ---------
8(mA/cm
2
) 0,82 µm ---------
12(mA/cm
2
) 3,61 µm ---------
14(mA/cm
2
) 5,45 µm 5,09 µm
16(mA/cm
2
) 5,57 µm 6,18 µm
20(mA/cm
2
) 6,07 µm
24(mA/cm
2
) 8,52 µm 9,09 µm
28(mA/cm2) 8,27 µm
Tabela 4.1: Tabela comparando as espessuras obtidas utilizando o Método Gravimétrico
com as medidas através do MEV
O gráfico abaixo nos mostra as medidas que pudemos comparar entre o Método
Gravimétrico e as medidas encontradas pelo MEV. Notamos que a reta definida pelas
medidas do MEV está mais inclinada, tal fato pode ser explicado pensando que quando
calculamos a espessura pelo Método Gravimétrico, consideramos que todo o filme foi
depositado de maneira compacta, admitindo que não exista nenhum tipo de poro no filme,
sendo assim a espessura calculada teria sempre que ser menor ou, quase que a espessura
obtida através do MEV. Já a comparação para o filme depositado à 14 mA/cm
2
podemos
dizer que a diferença de medida está dentro do erro esperado pelo cálculo através do
Método Gravimétrico.
14 16 18 20 22 24
5,0
5,5
6,0
6,5
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
Espessura (µm)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Método Gravimétrico
MEV
0,98792
0,99707
Figura 4.23: Gráfico comparativo da espessura dos filmes em função da densidade de
corrente
Na análise das amostras que foram depositadas com correntes de 4 a 12 mA/cm
2
não fomos capazes de através do MEV mensurar suas espessuras, pois o filme estava muito
aderido e fino, dificultando a distinção entre substrato e filme. Já para os filmes depositado
com uma densidade de corrente de 20 e 28 mA/cm
2
, notamos que a discrepância entre a
medida obtida pelo MEV com a calculada pelo Método Gravimétrico foi devido a um erro
de medida durante o MEV, claramente observado nas figuras 4.20, mostrando também que
o filme não apresentou uma uniformidade na espessura na borda, prejudicando assim a
medida. Notamos através das microscopias que o filme depositado a 14 mA/cm
2
apresentou
a imagem mais regular e também com boa aderência não tendo sofrido nenhum tipo de
tensão aparente, pois notamos que à medida que aumentos a densidade de corrente, há um
aumento nas tensões provocando o descolamento das bordas do filme em relação ao
substrato. Esse stress pode ser considerado da ordem de poucos milímetros, já que só é
possível visualizá-lo através da microscopia. Sendo assim, podemos considerar que mais de
95% da área do filme ainda poderá ser aproveitada. Sabemos que para a construção do
micro-sensor necessitamos de um filme com uma superfície o mais regular possível, sem
poros, o mínimo de imperfeições e uma boa aderência.
4.2.3 – Espectroscopia de Energia Dispersiva
Realizamos as medidas de EDS para determinar qual é a porcentagem da quantidade
dos elementos presentes nas amostras. No nosso caso, o EDS nos mostrará a porcentagem
de cada elemento da liga NiFeCo eletrodepositada nos filmes. Na tabela e no gráfico
respectivamente abaixo mostramos os dados obtidos para todas as amostras analisadas.
Densidade de
corrente (mA/cm
2
)
Níquel (%) Ferro(%) Cobalto(%)
4 68,75 24,05 7,20
8 67,42 22,63 9,94
12 69,90 19,34 10,76
14 70,00 16,39 13,61
16 67,35 17,42 15,23
20 69,14 13,48 17,38
24 71,15 11,82 17,04
28 69,38 11,92 18,71
Tabela 4.2: Tabela das porcentagens dos elementos Ni, Fe e Co obtidas através do EDS
0 5 10 15 20 25
30
10
20
60
65
70
75
Quantidade de elementos (%)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Ni
Fe
Co
Figura 4.24: Gráfico da porcentagem de Ni, Fe e Co em função da densidade de corrente
que depositamos o filme
O gráfico nos mostra que à medida que aumentamos a densidade de corrente de
deposição do filme, a quantidade de cobalto da liga aumenta enquanto a quantidade de ferro
diminui, e ainda notamos que a quantidade de níquel permanece praticamente constante
para todas as densidades de corrente utilizadas no estudo. Através da tabela 3.1 podemos
relacionar também o potencial de redução dos três elementos com o gráfico da figura 4.24.
Com um menor potencial aplicado, somente o níquel é que se reduz. No momento que
aumentamos um pouco o potencial, juntamente com o aumento de cobalto na solução, este
começa a se depositar. A partir de 24 mA/cm
2
, notamos que as quantidades dos elementos
tendem a permanecem constantes independendo da densidade de corrente que está sendo
aplicada.Nos estudos seguintes de magnetização, iremos relacionar o momento em que a
quantidade de cobalto se aproxima da quantidade de ferro com a coercividade magnética do
filme (linha tracejada no gráfico 4.24).
Podemos pensar que a energia elétrica pode ser conduzida através da matéria pela
passagem de carga elétrica de um ponto a outro, sob a forma de corrente elétrica. A
existência de corrente elétrica implica a existência de transportadores de carga na matéria e
de uma força que faça com que eles se movam. Os transportadores de carga podem ser
elétrons, como no caso dos metais, ou íons positivos e negativos, como no caso de soluções
eletrolíticas e sais fundidos. No primeiro caso a condução é dita metálica e no segundo,
eletrolítica. Em uma eletrodeposição, a corrente elétrica é uma das principais matérias-
primas do processo. No cátodo (parte negativa) são colocadas as peças a serem
beneficiadas, ou melhor, o eletrodo de trabalho. No anodo (parte positiva) é colocado o
metal, que fornecerá os íons (cátions) para a solução eletrolítica, conhecido como eletrodo
auxiliar. É interessante ressaltar que o metal (estado neutro), ou seja, o eletrodo de cobalto
(auxiliar) se dissocia através da corrente elétrica ou dissolução química em cátions,
carregados positivamente. Esses cátions ficam dispersos na solução eletrolítica e através de
reações de oxi-redução no catodo(carregado negativamente),ou seja, o eletrodo de trabalho
que, à medida que aumentamos a densidade de corrente, aumentando o acúmulo de cargas
negativas, estes cátions são convertidos novamente em metal (estado neutro) depositado
sobre a superfície da peça. Quanto mais energia é fornecida, maior é a camada depositada,
ou seja, quanto maior é a densidade de corrente que submetemos o filme, mais cátions de
Co que se desprenderam do eletrodo auxiliar, vão ficar dispersos na solução e
consequentemente, mais cobalto poderá ser depositado sobre o eletrodo de trabalho. A
quantidade de cobalto na solução disponível para aderir ao eletrodo, aumenta à medida que
aumentamos a densidade de corrente de deposição do filme; já a quantidade de ferro
disponível para aderir no eletrodo de trabalho dispersa na solução não muda, é sempre a
mesma. A quantidade de níquel também é constante na solução. Observando a figura 4.24,
podemos ver que o cobalto, no momento da deposição, toma o lugar do ferro, disputa com
o ferro a quantidade que será depositada. Ainda pensando em estabilidade de íons, o níquel
é o primeiro que se estabiliza por precisar de menos elétrons para alcançar tal posição. O
cobalto, como já foi dito, vai aumentado sua quantidade de íons na solução à medida que
aumentamos a densidade de corrente, e sua quantidade vai aumentando no filme, pois este
elemento alcança o equilíbrio com menos elétrons que o ferro. Com o aumento da
densidade de corrente, vai ocorrendo uma disputa entre o cobalto e o ferro, e o cobalto leva
a vantagem, pois estabiliza com menos elétrons e também com o aumento da densidade de
corrente, a quantidade de íons de cobalto aumenta na solução. As fases de aderência dos
íons ao eletrodo de trabalho estão especificadas no capítulo de introdução no item de
nucleação e crescimento.
4.2.4 – Raios – X
Logo abaixo estão mostrados os espectros de difração de raios-x para as oito
diferentes densidades de corrente, e tempo total de deposição de 40 minutos.
40 50 60 70 80 90 100
0
20
40
60
80
100
120
Intensidade (unid.arb)
2θ (graus)
a) 4 mA/cm
2
40 50 60 70 80 90 100
0
20
40
60
80
100
Intensidade (unid.arb)
2θ (graus)
b) 8 mA/cm
2
40 50 60 70 80 90 100
0
10
20
30
40
50
60
Intensidade (unid.arb)
2θ (graus)
c) 12 mA/cm
2
40 50 60 70 80 90 100
0
10
20
30
40
50
60
70
Intensidade (unid.arb)
2θ (graus)
d) 14 mA/cm
2
40 50 60 70 80 90 100
0
10
20
30
40
50
60
Intensidade (unid.arb)
2θ (graus)
e) 16 mA/cm
2
40 50 60 70 80 90 100
0
10
20
30
40
50
60
Intensidade (unid.arb)
2θ (graus)
f) 20 mA/cm
2
40 50 60 70 80 90 100
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Intensidade (unid.arb)
2θ (graus)
g) 24 mA/cm
2
40 50 60 70 80 90 100
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Intensidade (unid.arb)
2θ (graus)
h) 28 mA/cm
2
Figura 4.25: Gráficos da intensidade em função do ângulo de espalhamento para as oito
diferentes densidades de corrente
Para uma melhor comparação, o gráfico abaixo representa os picos das difrações de
todas as amostras. Podemos também analisar o tamanho dos grãos cristalinos que estamos
obtendo para cada densidade de corrente através de relação de Sherrer para os picos
relacionados ao crescimento da liga metálica [96].
40 50 60 70 80 90 100
0
100
200
300
400
500
600
Intensidade (unid.arb)
2θ (graus)
Figura 4.26: Gráfico da intensidade em função do ângulo de espalhamento dos picos para
as diferentes densidades de corrente, iniciando para densidade de corrente de 4 mA/cm
2
até
a densidade de 28 mA/cm
2
(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 à liga metálica
(111)
(200)
S
S
Os padrões de difração que obtivemos, podem dizer se o material depositado está se
estruturando de maneira semelhante para diferentes espessuras. Logo acima estamos
comparando os espectros de difração para todas as densidades de corrente. Antes de
qualquer análise, notamos que as difrações realizadas para os filmes de NiFeCo
apresentaram muitos ruídos em relação às difrações das amostras NiFe. Tal fato pode ser
explicado devido à diferença de tempo em que ocorreram as duas medidas, também à
calibração do equipamento e por último na realização das medidas por diferentes
operadores.
Através do gráfico acima, notamos que os picos com crescimentos preferenciais nos
planos (111) e (200) são referentes à liga metálica, pois à medida que aumentamos a
densidade de corrente, há um aumento na intensidade desses picos; já os outros picos estão
relacionados ao substrato de cobre, pois à medida que aumentamos a densidade de corrente,
esses picos têm suas intensidades diminuídas.
O gráfico abaixo relaciona a intensidade dos picos referentes à liga de NiFeCo em
função da densidade de corrente.
0 5 10 15 20 25 30
10
20
30
40
50
60
70
80
Intensidade do pico (unid.arb)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Pico (111)
Pico (200)
0,90264
0,72113
Figura 4.27: Intensidade dos picos relacionados com o filme de NiFeCo em função da
densidade de corrente
Podemos ver no gráfico da figura 4.27, relacionando os dois picos, que o pico com
direção preferencial de crescimento no plano cristalino (111) aumenta sua intensidade com
a densidade de corrente, enquanto que o pico (200) teve um aumento discreto de
intensidade. Sendo assim, à medida que aumentamos a densidade de corrente, o filme de
NiFeCo tende a crescer mais com direção preferencial no plano cristalino (111).
O gráfico abaixo corresponde a área integrada do pico com direção preferencial de
crescimento (111) em função da densidade de corrente.
0 5 10 15 20 25 30
2
3
4
5
6
7
8
Área Integrada (unid. arb)
Densidade de corrente ( mA/cm
2
)
Pico (111)
0 5 10 15 20 25 30
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Y = A + B * X
Parameter Value Error
---------------------------------------------
A 15,27371 3,6299
B 1,15142 0,20802
Área Integrada (unid. arb)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Pico (111)
0,91446
Comparando a inclinação da figura 3.11 com a inclinação da figura 4.29, vemos que
o filme de NiFe cresce dez vezes mais rápido na direção preferencial (110) que o filme de
NiFeCo na direção preferencial (111).
Figura 4.28: Área integrada do
pico (111) referente ao substrato
Figura 4.29: Área integrada do
pico (111) referente ao filme
0 5 10 15 20 25 30
10
15
20
25
30
35
40
45
A(F1)/A(S1)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Figura 4.30: Razão da área integrada do pico (111) referente ao filme de NiFeCo e da área
integrada do pico (111) referente ao substrato de cobre
Para o gráfico acima, notamos que com o aumento da densidade de corrente ocorre
uma saturação de crescimento do grão cristalino na direção preferencial (111), ou melhor, à
medida que aumentamos a densidade de corrente, os grãos das diferentes estruturasd da liga
de NiFe crescem mais em outra direção preferencial, sem ser a (111).
0 5 10 15 20 25 30
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
A(F2)/A(S2)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
0,96175
Figura 4.31: Razão da área integrada do pico (200) referente ao filme de NiFeCo e da área
integrada do pico (200) referente ao substrato de cobre
Comparando o gráfico da figura 4.30 com o da figura 4.31, podemos notar que
enquanto ocorre uma saturação de crescimento da direção preferencial (111) da liga, ocorre
um aumento linear no número de grãos que crescem na direção preferencial (200), ou seja,
a partir da densidade de corrente em torno de 14 mA/cm
2
, os grãos da liga vão tendendo a
parar seu crescimento na direção (111) e tende a crescer somente na direção (200).
Notamos apesar dos intensos ruídos na figura 4.26, que o pico da liga com direção
preferencial de crescimento (111), aumenta sua intensidade à medida que aumentamos a
densidade de corrente para depositar os filmes até a densidade de corrente em torno de 14
mA/cm
2
, lembrando que todos os filmes foram depositados por 40 minutos. Também
notamos um discreto desvio no pico para a direita da figura. Podemos considerar esse
deslocamento como sendo uma modificação no tamanho do grão cristalino do filme de
NiFeCo. De acordo com a relação de Scherrer, o tamanho do grão cristalino é inversamente
proporcional á largura a meia altura do pico de difração e ao cosseno do ângulo em que
ocorre tal pico (em teta). Portanto, como o pico se estreita e o valor do cosseno diminui,
podemos dizer que à medida que aumentamos a densidade de corrente haverá um aumento
na dimensão dos grãos de NiFeCo. Se tivermos uma densidade maior de corrente,
encontraremos um filme com grãos cristalinos maiores e consequentemente um filme mais
organizado estruturalmente. À medida que aumentamos a densidade de corrente, ocorre
também um discreto desvio do primeiro pico relacionado ao substrato. Sendo assim, filmes
mais finos possuem estruturas mais próximas da estrutura do substrato, ou seja, os filmes
depositados a baixas densidades de corrente.
Logo abaixo, temos um gráfico apresentando o tamanho do grão cristalino da liga
de NiFeCo, calculados a partir da direção preferencial de difração(111) em função da
densidade de corrente.
0 5 10 15 20 25 30
130
135
140
145
150
155
160
165
170
Tamanho do grão (Angstrons)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Figura 4.32: Gráfico do tamanho do grão cristalino em função da densidade de
corrente
Podemos comparar o gráfico do tamanho de grãos em função da densidade de
corrente obtido através da liga de NiFe com o gráfico acima apresentado. Tanto para a liga
NiFe como para NiFeCo, o maior grão foi encontrado quando depositamos o filme com
uma densidade de corrente de 14 mA/cm
2
. Sendo assim, provavelmente a velocidade ideal
de crescimento dos cristais, tanto na direção perpendicular quanto em paralelo, formadores
do filme sobre o substrato, ocorre quando aplicamos uma densidade de corrente de 14
mA/cm
2
. Para densidades de corrente menores que 12 mA/cm
2
, há o crescimento de muitos
núcleos formadores dos cristais; enquanto que para densidades de corrente maiores que 14
mA/cm
2
ocorre a formação e o crescimento muito rápido dos grãos formadores dos cristais.
4.3 – Caracterização Magnética
Os mesmos filmes analisados anteriormente foram submetidos a análises
magnéticas. Utilizamos o MSQUID e o MAV para analisar as amostras com campos
aplicados tanto paralelamente quanto perpendicularmente ao plano do filme para as
diferentes amostras pelos dois equipamentos. Utilizamos os dois métodos para confirmar os
resultados obtidos e assim ficarmos mais seguros para decidirmos qual o filme que será
utilizado para a construção do micro-sensor. Abaixo serão apresentados os resultados das
magnetizações e suas respectivas análises, buscando encontrar o melhor filme para
desenvolver o microsensor magnético.
4.3.1 – MSQUID
4.3.1.1 – Caracterização magnética com o campo aplicado em paralelo
Abaixo estão apresentados os gráficos de magnetização normalizada em função do
campo aplicado paralelamente á superfície da amostra e suas respectivas ampliações. A
partir dos gráficos de histerese, estudamos a coercividade magnética do filme. A
coercividade nada mais é que a medida da facilidade com que o filme magnetiza e
desmagnetiza, ou seja, quanto menor for a largura central da curva de magnetização
(medida no eixo x) em relação a curva de desmagnetização, menor será a coercividade e
mais fácil o filme desmagnetiza. Esse filme é chamado de soft, e é esse que procuramos
para a construção do nosso sensor, pois para o filme poder ser utilizado como núcleo do
sensor, ele não pode ter “memória magnética”, o que atrapalharia medidas de campos
magnéticos diferentes e consecutivos.
-900 -600 -300 0 300 600 900
-1,2
-0,6
0,0
0,6
1,2
M/M
S
H(kA/m)
a) 4 mA/cm
2
_Paralelo
-60 -40 -20 0 20 40 60
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H(kA/m)
b) 4 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-900 -600 -300 0 300 600 900
-1,4
-0,7
0,0
0,7
1,4
M/M
S
H(kA/m)
c) 8 mA/cm
2
_Paralelo
-60 -40 -20 0 20 40 60
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H(kA/m)
d) 8 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-900 -600 -300 0 300 600 900
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
1,2
M/M
S
H(kA/m)
e) 12 mA/cm
2
_Paralelo
-60 -40 -20 0 20 40 60
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H(kA/m)
f) 12 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-900 -600 -300 0 300 600 900
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
1,2
M/M
S
H(kA/m)
g) 14 mA/cm
2
_Paralelo
-60 -40 -20 0 20 40 60
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
M/M
S
H(kA/m)
h) 14 mA/cm
2
_paralelo_ampliação
-900 -600 -300 0 300 600 900
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
1,2
M/M
S
H(kA/m)
i) 16 mA/cm
2
_Paralelo
-60 -40 -20 0 20 40 60
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
M/M
S
H(kA/m)
j) 16 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-900 -600 -300 0 300 600 900
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
1,2
M/M
S
H(kA/m)
k) 20 mA/cm
2
_Paralelo
-60 -40 -20 0 20 40 60
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
M/M
S
H(kA/m)
l) 20 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
1,2
M/M
S
H(KA/m)
24 mA/cm
2
_Paralelo
-60 -40 -20 0 20 40 60
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H(kA/m)
n) 24 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-900 -600 -300 0 300 600 900
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
1,2
M/M
S
H(kA/m)
o) 28 mA/cm
2
_Paralelo
-60 -40 -20 0 20 40 60
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
M/M
S
H(kA/m)
p) 28 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
Figura 4.33: Gráficos da magnetização normalizada em função do campo magnético
aplicado pelo MSQUID paralelamente à superfície da amostra
4.3.1.2 - Caracterização magnética com o campo aplicado em perpendicular
Abaixo estão apresentados os gráficos de magnetização em função do campo
magnético aplicado perpendicularmente á superfície da amostra e suas respectivas
ampliações.
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
-1,2
-0,8
-0,4
0,0
0,4
0,8
1,2
M/M
S
H(kA/m)
a) 4 mA/cm
2
Perpendicular
-15 -10 -5 0 5 10 15
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
M/M
S
H(kA/m)
b) 4 mA/m
2
_Perpendicular_ampliação
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
c) 8 mA/cm
2
_Perpendicular
-15 -10 -5 0 5 10 15
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
M/M
S
H(kA/m)
d) 8 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
e) 12 mA/cm
2
_Perpendicular
-15 -10 -5 0 5 10 15
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
M/M
S
H(kA/m)
f) 12 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
g) 14 mA/cm
2
_Perpendicular
-15 -10 -5 0 5 10 15
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
M/M
S
H(kA/m)
h) 14 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
i) 16 mA/cm
2
_Perpendicular
-15 -10 -5 0 5 10 15
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
M/M
S
H(kA/m)
j) 16 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
k) 20 mA/cm
2
_Perpendicular
-15 -10 -5 0 5 10 15
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
M/M
S
H(kA/m)
l) 20 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
m) 24 mA/cm
2
_Perpendicular
-15 -10 -5 0 5 10 15
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
M/M
S
H(kA/m)
n) 24 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
o) 28 mA/cm
2
_Perpendicular
-15 -10 -5 0 5 10 15
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
M/M
S
H(kA/m)
p) 28 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
Figura 4.34: Gráficos da magnetização normalizada em função do campo magnético
aplicado pelo MSQUID perpendicularmente à superfície das amostras
0 5 10 15 20 25
30
0
2
4
6
8
10
H(kA/m)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Campo paralelo
Campo perpendicular
Figura 4.35: Gráfico da coercividade magnética de todos os filmes em função da densidade
de corrente, comparando as medidas com o campo aplicado em paralelo e
perpendicularmente para o MSQUID
Notamos que para o MSQUID, o filme que apresentou a menor coercividade
magnética tanto com o campo aplicado em paralelo ou em perpendicular em relação à
amostra foi o depositado a 14 mA/cm
2
, e que não temos anisotropia.
O gráfico abaixo nos mostra a relação entre a magnetização de saturação e a
densidade de corrente para o campo aplicado em paralelo e também em perpendicular em
relação ao filme.
0 5 10 15 20 25 30
0,00
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
M
S
(emu)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Campo perpendicular (NiFeCo-SQUID)
Campo paralelo (NiFeCo-SQUID)
0,88819
0,99623
Figura 4.36: Magnetização de saturação em função da densidade de corrente para o campo
aplicado em paralelo e em perpendicular em relação ao filme utilizando o MSQUID
Através do gráfico acima, vemos que a magnetização de saturação sempre será
maior quando aplicamos o campo em paralelo à amostra independente da densidade de
corrente. Notamos ainda, a linearidade nos dois casos em toda a faixa de densidade de
corrente utilizada. Podemos pensar que quando aplicamos o campo em paralelo à amostra,
mais dipolos magnéticos estarão sendo magnetizados, pois o campo aplicado nessa direção
atinge mais dipolos magnéticos, magnetizando assim mais vizinhos, enquanto que quando
aplicamos o campo em perpendicular não conseguimos magnetizar muitos dipolos para a
orientação do campo, magnetizando menos vizinhos e, portanto, apresentando baixos
valores de magnetização quando comparados com os valores encontrados quando
aplicamos o campo em paralelo à amostra.
4.3.2 – Magnetômetro de Amostra Vibrante
4.3.2.1 – Caracterização magnética com o campo aplicado em paralelo
Realizamos as medidas de magnetização no MSQUID e no MAV, equipamento de
análise magnética, cujo funcionamento foi mostrado no capítulo de introdução, a fim de
comparar os dois métodos de medidas da resposta do filme com aplicação do campo
magnético nas duas direções: paralelo e perpendicular à amostra. Os gráficos abaixo
mostram as curvas de histerese e suas respectivas ampliações obtidas através do MAV, para
as amostras que sofreram aplicação de campo magnético em paralelo.
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,4
-0,7
0,0
0,7
1,4
M/M
S
H(kA/m)
a) 4 mA/cm
2
_Paralelo
-3 -2 -1 0 1 2 3
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H(kA/m)
b) 4 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-150 -100 -50 0 50 100 150
-0,8
0,0
0,8
1,6
M/M
S
H(kA/m)
c) 8 mA/cm
2
_Paralelo
-3 -2 -1 0 1 2 3
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H(kA/m)
d) 8 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,4
-0,7
0,0
0,7
1,4
M/M
S
H(kA/m)
e) 12 mA/cm
2
_Paralelo
-3 -2 -1 0 1 2 3 4
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H(kA/m)
f) 12 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
g) 14 mA/cm
2
_Paralelo
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H(kA/m)
h) 14 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,4
-0,7
0,0
0,7
1,4
M/M
S
H(kA/m)
i) 16 mA/cm
2
_Paralelo
-3 -2 -1 0 1 2 3
-1,0
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
M/M
S
H(kA/m)
j) 16 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,4
-0,7
0,0
0,7
1,4
M/M
S
H(kA/m)
k) 20 mA/cm
2
_Paralelo
-3 -2 -1 0 1 2 3
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
M/M
S
H(kA/m)
l) 20 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,4
-0,7
0,0
0,7
1,4
M/M
S
H(kA/m)
m) 24 mA/cm
2
_Paralelo
-3 -2 -1 0 1 2 3
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
M/M
S
H(kA/m)
n) 24 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,2
-0,6
0,0
0,6
1,2
M/M
S
H(kA/m)
o) 28 mA/cm
2
_Paralelo
-3 -2 -1 0 1 2 3
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
M/M
S
H(kA/m)
p) 28 mA/cm
2
_Paralelo_ampliação
Figura 4.37: Gráficos da magnetização normalizada em função do campo magnético
aplicado pelo MAV paralelamente à superfície das amostras
A partir dos resultados apresentados, no gráfico da figura 4.39 iremos comparar as
coercividades obtidas através do MAV quando aplicamos o campo tanto em paralelo
quanto em perpendicular em relação à amostra.
4.3.2.2 – Caracterização magnética com campo aplicado em perpendicular
Os gráficos abaixo mostram as curvas de histerese e suas respectivas ampliações
obtidas através do MAV, para as amostras que sofreram aplicação de campo magnético em
perpendicular.
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
a) 4 mA/cm
2
_Perpendicular
-10 -5 0 5 10 15
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
M/M
S
H(kA/m)
b) 4 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
c) 8 mA/cm
2
_Perpendicular
-10 -5 0 5 10
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
M/M
S
H(kA/m)
d) 8 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
e) 12 mA/cm
2
_Perpendicular
-10 -5 0 5 10
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
M/M
S
H(kA/m)
f) 12 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
g) 14 mA/cm
2
_Perpendicular
-10 -5 0 5 10
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
M/M
S
H(kA/m)
h) 14 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
i) 16 mA/cm
2
_Perpendicular
-10 -5 0 5 10
-0,6
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
M/M
S
H(kA/m)
j) 16 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
k) 20 mA/cm
2
_Perpendicular
-10 -5 0 5 10
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
M/M
S
H(kA/m)
l) 20 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
m) 24 mA/cm
2
_Perpendicular
-10 -5 0 5 10
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
M/M
S
H(kA/m)
n) 24 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
M/M
S
H(kA/m)
o) 28 mA/cm
2
_Perpendicular
-10 -5 0 5 10
-0,20
-0,15
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
M/M
S
H(kA/m)
p) 28 mA/cm
2
_Perpendicular_ampliação
Figura 4.38: Gráficos da magnetização normalizada em função do campo magnético
aplicado pelo MAV prependicularmente à superfície das amostras
As curvas de histerese, obtidas através do MAV, no caso dos filmes de NiFeCo, não
apresentaram o erro matemático de deslocamento como no capítulo anterior, pois as
medidas foram realizadas cronologicamente em períodos diferentes, onde provavelmente
algum parâmetro do equipamento pode ter sofrido um certo desvio.
0 5 10 15 20 25
30
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
H
C
(kA/m)
Densidade de corrente(mA/cm
2
)
Campo aplicado em paralelo
Campo aplicado em perpendicular
Figura 4.39: Gráfico da coercividade magnética de todos os filmes em função da densidade
de corrente, comparando as medidas com o campo aplicado em paralelo e
perpendicularmente para o MAV
Quando comparamos o gráfico das coercividades magnéticas obtidas através do
MAV e do MSQUID para todas as amostras, em se tratando do MAV, a amostra de 14
mA/cm
2
parece apresentar uma anisotropia com a aplicação de campos magnéticos em
direções distintas, enquanto que a mesma amostra, apresenta-se isotrópica quando falamos
do MSQUID. Para as amostras de NiFeCo, realizamos as medidas em dois aparelhos
distintos para podermos realizar com mais precisão a análise.
O gráfico acima nos mostrou que há uma anisotropia nos filmes, ou seja, a resposta
magnética é diferente para campos magnéticos aplicados em direções distintas em relação à
amostra. E mesmo com tal anisotropia, notamos que o filme depositado a 14 mA/cm
2
apresentou a menor coercividade magnética, característica esta que buscamos para o filme
que será utilizado na construção do sensor.
0 5 10 15 20 25 30
0,00
0,04
0,08
0,12
0,16
M
S
(emu)
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Campo perpendicular (NiFeCo-MAV)
Campo paralelo (NiFeCo-MAV)
0,98759
0,9932
Figura 4.40: Magnetização de saturação em função da densidade de corrente para o campo
aplicado em paralelo e em perpendicular em relação ao filme utilizando o MAV
Através do gráfico acima, vemos que a magnetização de saturação sempre será
maior quando aplicamos o campo em paralelo à amostra independente da densidade de
corrente. Podemos pensar que quando aplicamos o campo em paralelo à amostra, mais
dipolos magnéticos estarão sendo magnetizados, enquanto que quando aplicamos o campo
em perpendicular não conseguimos magnetizar muitos dipolos para a orientação do campo.
Comparando as coercividades magnéticas entre os dois equipamentos de
caracterização magnética, MSQUID e MAV e também entre as direções de aplicação do
campo de excitação da amostra temos:
0 5 10 15 20 25 30
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
H
C
(kA/m)
Densidade de corrente(mA/cm
2
)
Paralelo_MAV
Perpendicular_MAV
Paralelo_SQUID
Perpendicular_SQUID
Figura 4.41: Gráfico da coercividade magnética de todos os filmes em função da densidade
de corrente, comparando as medidas com campo aplicado em paralelo e
perpendicularmente para MAV e MSQUID
Notamos que obtivemos respostas similares para as densidades de corrente a partir
de 12 mA/cm
2
, das coercividades nas duas direções para os dois métodos utilizados de
caracterização magnética. A “anisotropia” apresentada acima é bem discreta, pois
acrescentamos o cobalto na liga e provavelmente compensou essa diferença na
coercividade. Sendo assim, pudemos concluir que tal resultado nos condiciona a pensar que
independente da direção do campo de excitação em relação ao sensor, o mesmo nos
mostrará sempre a mesma resposta, ou seja, independente da direção de aplicação do
campo magnético de excitação em relação ao filme, o sensor indicará a mesma
coercividade, ou melhor, isotrópico. O melhor filme para construirmos o microsensor é o
depositado com uma densidade de corrente de 14 mA/cm
2
, devido a sua menor
coercividade magnética, ou seja, sua menor “memória magnética”.
As coercividades magnéticas dos filmes depositados com 4 mA/cm
2
e 8 mA/cm
2
devem ser vistas com cuidado, pois a quantidade de material magnético presente no filme é
muito pequena, impedindo assim, uma medida confiável, independente do método
utilizado. O equipamento permite medidas confiáveis de materiais com massas maiores que
0,7 mg ou mesmo de filmes com espessuras maiores que 0,8 µm. Já a coercividade
magnética dos filmes que foram depositados com uma densidade de corrente maior que 14
mA/cm
2
, apresentaram coercividades relativamente constantes com o aumento da
densidade de corrente. Notamos no estudo do EDS que no momento em que as quantidades
de cobalto e ferro se aproximam, a coercividade magnética neste ponto passa a diminuir e
atinge o menor valor em 14 mA/m
2
. A partir dessa densidade de corrente, a quantidade de
cobalto passa a ser maior que a quantidade de ferro, e também consequentemente o
crescimento da quantidade de cobalto impede o crescimento da quantidade de níquel,
permanecendo esta constante. Sendo assim, as coercividades magnéticas a partir de 14
mA/cm
2
sofrem um pequeno aumento no seu valor, mantendo praticamente constante para
todos os outros valores utilizados de correntes. Portanto, podemos entender que a
quantidade de ferro e cobalto é que determinam a coercividade magnética do filme, sendo
as quantidades dos dois elementos “ótimas” quando o filme é depositado a 14 mA/cm
2
. O
menor valor obtido de coercividade magnética foi de 81 A/m.
Capítulo 5
Comparação entre a liga NiFe e NiFeCo
5.1 – Caracterização do processo
Neste capítulo compararemos os principais resultados dos capítulos 3 e 4 e
mostraremos o melhor filme para a construção do micro-sensor.
Comparando os gráficos das figuras 3.1 com 4.1 pudemos notar que os filmes
depositados com a liga de NiFeCo apresentaram um acréscimo de massa linear com a
densidade de corrente; já os filmes depositados com a liga de NiFe apresentaram um
crescimento de densidade de massa polinomial de ordem dois em função da densidade de
corrente. Como os elementos níquel e ferro apresentam características intrínsecas (próprias
de cada material) diferentes, eles depositam quantidades em porcentagem diferentes. Tais
características influenciam na preferência de deposição. Por isso a curva característica é
polinomial; agora, no caso dos filmes de NiFeCo, como o cobalto compete com o ferro,
como notamos através da figura 4.24 no momento da deposição, a curva característica é
uma reta, pois o cobalto supre essa diferença de características existentes entre o níquel e
ferro.
Logo abaixo, está apresentada a razão existente entre a taxa de deposição de massa
do filme de NiFeCo e a taxa de deposição de massa do filme de NiFe em função da
densidade de corrente.
0 5 10 15 20 25 30
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Relação entre taxa de deposição NiFeCo/NiFe
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Figura 5.1: Razão entre taxa de deposição de massa de NiFeCo pela de NiFe em função da
densidade de corrente
Como podemos ver, a relação é de praticamente um para os filmes depositados na
densidade de corrente de 14 mA/cm
2
, ponto de menor coercividade nos dois casos.
Logo abaixo está representada a razão existente entre a taxa da espessura do NiFeCo
em comparação com a do filme de NiFe em função da densidade de corrente.
0 5 10 15 20 25 30
1
2
3
4
5
6
7
Relação entre a taxa de espessura de NiFeCo/NiFe
Densidade de corrente (mA/cm
2
)
Figura 5.2: Razão entre taxa de espessura de NiFeCo pela de NiFe em função da densidade
de corrente
Tanto no gráfico da figura 5.1 como no gráfico da figura 5.2 o comportamento
apresentado é o mesmo, pois a espessura do filme está diretamente ligada com a massa
depositada. O primeiro gráfico apresentou filmes de NiFeCo e NiFe com mesma massa
entre as densidades de corrente de 12 a 14 mA/cm2 e também nessa faixa de densidade de
corrente notamos observando o segundo gráfico que mesmo tendo a mesma massa
depositada, o filme de NiFeCo apresentou uma espessura em torno de seis vezes maior que
a espessura do filme de NiFe. Tal fato provavelmente pode ser devido à presença do
cobalto inibindo a formação de hidrogênio, pois ocorre um aumento na eficiência do
potencial de redução de H
+
.
5.2 - Caracterização estrutural
5.2.1 – Microscopia Eletrônica de Varredura superficial
Quando comparamos as características das superfícies dos filmes notamos que, em
todos os filmes, houve imperfeições devido ao preparo do substrato. Ainda, visualmente, os
filmes apresentaram um prateado como cor característica de ligas metálicas. As principais
características superficiais dos filmes se devem ao preparo do substrato, polimento e
limpeza. Seria interessante que o método de preparo do substrato fosse menos manual, a
fim de obtermos uma superfície mais regular e homogênea. Não se esquecendo que o
processo de limpeza deve levar certa atenção, já que, quando bem feito evita possíveis
contaminações. O filme de NifeCo depositado com 14 mA/cm
2
apresentou uma superfície
bastante homogênea e não sofreu aparentes tensões nas bordas. Já os filmes da liga de NiFe
não apresentaram diferenças marcantes para escolhermos um dos filmes para ser usado.
Portanto, considerando o MEV superficial, o filme depositado a 14 mA/cm
2
apresentou as
melhores condições para ser usado na construção do micro-sensor.
5.2.2 – Microscopia Eletrônica de Varredura lateral
O estudo da espessura para os filmes de NiFeCo foi feita de forma experimental
através do MEV lateral e também de forma teórica pelo Método Gravimétrico.
Comparando as espessuras, pudemos notar nos dois que existe uma diferença entre medidas
experimentais e calculadas. As calculadas apresentaram espessuras menores, pois para tal
cálculo, consideramos o filme compacto, sem nenhuma imperfeição, sem nenhuma
porosidade. Para o filme de NiFe realizamos somente a medida pelo Método Gravimétrico.
Notamos que para a liga de NiFeCo há uma dependência linear entre a espessura e a
densidade de corrente; já para os filmes de NiFe a dependência foi polinomial. Pudemos
pensar que como o níquel e o ferro possuem características próprias dos elementos
diferentes, as porcentagens de deposição são diferentes para as diferentes densidades de
corrente. Para a liga ternária de NiFeCo, notamos através do EDS que o cobalto compensa
a falta de ferro em relação ao níquel, ou seja, compensa a diferença de deposição entre o
níquel e ferro, tornando assim uma relação linear entre a espessura e a densidade de
corrente.
5.2.3 – Espectroscopia de Energia Dispersiva
Para os filmes de NiFeCo, notamos que há uma “concorrência” de deposição entre
o ferro e o cobalto à medida que aumentamos a densidade de corrente (figura 4.24). Já a
quantidade de níquel permanece praticamente constante para todas as densidades de
corrente. Consequentemente como resposta magnética, houve um discreto aumento,
praticamente valores constantes nas coercividades à medida que a quantidade de cobalto
aumentava em relação ao ferro para densidades de corrente maiores que 14 mA/cm
2
. Os
filmes de NiFe apresentaram uma quantidade de ferro crescente com o aumento da
densidade de corrente até se estabilizar a partir de 14 mA/cm
2
, e notamos como resposta
magnética uma coercividade magnética estável para densidades de corrente maiores que 14
mA/cm
2
(figura 3.19). Portanto, podemos concluir que o filme de NiFe tem a sua
coercividade determinada pela quantidade de ferro presente na amostra, apresentando uma
quantidade “ideal” quando depositamos o filme com densidade de corrente de 14 mA/cm
2
.
Já para os filmes de NiFeCo notamos que essa mesma quantidade de ferro determinou a
menor coercividade para o filme depositado com 14 mA/cm
2
. Quando se aumenta a
quantidade de cobalto e a coercividade aumenta, podemos notar que o cobalto e o ferro
possuem características determinantes da coercividade de um material [97].
5.2.4 – Difração de Raios – X
Os filmes de NiFeCo apresentaram direções preferenciais de crescimento dos grãos
cristalinos (111) e (200) (figura 4.26). O pico (111) se mostra bastante intenso à medida
que aumentamos a densidade de corrente quando comparado com o pico (200) que
apresentou um crescimento bem discreto. O filme depositado com uma densidade de
corrente de 14 mA/cm
2
apresentou o maior grão cristalino quando comparado com os
outros filmes depositados com diferentes densidades de corrente e o filme depositado a 16
mA/cm
2
apresentou o menor grão. Os filmes de NiFe apresentaram o pico (110) como
direção preferencial de crescimento dos grãos (figura 3.9). Notamos também para essa liga
que os grãos crescem e atingem tamanho máximo na densidade de corrente de 14 mA/cm
2
(figura 3.16), e começam a decair a partir desta. Portanto, podemos concluir que para filmes
contendo 20,75% de ferro e 79,25% de níquel possuirão um maior grão (figura 3.16).
5.3 - Caracterização Magnética
A partir das curvas de histerese obtidas através do MAV e do MSQUID, podemos
concluir que o melhor filme a ser utilizado para a construção do sensor é o depositado a
uma densidade de corrente em torno de 14 mA/cm
2
. Esse resultado vale tanto pra filmes
depositados com NiFeCo (figura 4.41) como para filmes depositados com NiFe (figura
3.19).
Como procuramos um filme que apresente o mínimo de memória magnética, este
foi o que apresentou a menor coercividade magnética quando comparada com as obtidas
para outras densidades de corrente. O filme de NiFeCo se mostrou ser relativamente
isotrópico, já que as coercividades magnéticas foram muito parecidas tanto para o campo
aplicado em paralelo como em perpendicular em relação à amostra, podendo ser utilizado
somente como sensor de medida de intensidade magnética. Já os filmes de NiFe se
mostraram anisotrópicos, podendo servir como um sensor de medida vetorial. Os menores
valores de coercividade magnética foram de 58,4 A/m
para o filme de NiFe e de 81 A/m
para o filme de NiFeCo, que mostrou apresentar campos mais coercitivos. Essas
coercividades podem ser consideradas pequenas já que os materiais adequados para
gravação têm campo coercitivo com valor intermediário entre os dos ímãs permanentes
(milhares de Oe) e os de alta permeabilidade (alguns Oe). Ele deve ser suficiente para
manter a magnetização produzida durante a gravação e ao mesmo tempo possibilitar que a
informação seja apagada, sendo atualmente da ordem de 1 kOe, ou melhor, em torno de 79
KA/m.
Capítulo 6
Micro-sensor planar
Neste capítulo tentaremos mostrar quais foram as etapas preliminares antes de se
construir o sensor propriamente dito. Muitas foram as tentativas, e infelizmente tal
construção ficará para um próximo trabalho.
6.1 – Construção do micro-sensor planar
Nesta seção mostraremos quais seriam as etapas necessárias para se construir o
micro-sensor planar. Primeiramente, depositamos o filme através do processo de
eletrodeposição, processo este já descrito detalhadamente no capítulo 2. Após a deposição
do filme, temos que isolá-lo com algum material eletricamente isolante, que no nosso caso
depois de vários estudos, encontramos o poliestireno diluído em THF (tetrahidrofurano)
como o material ideal. O revestimento isolante foi depositado por dip-coating, sendo
necessárias em torno de 5 camadas a fim de alcançar o isolamento elétrico, testado por
pontas de prova ligadas a um multímetro. Já isolado eletricamente o filme, realizamos a
deposição de alumínio por evaporação térmica sobre o isolamento (figura 6.1):
Figura 6.1: Foto ilustrativa da evaporadora e todo seu aparato de funcionamento
Dando seqüência ao processo, partimos para a fotolitografia para produzir as
bobinas, se resumindo em um processo de gravação realizada com fótons, de uma máscara
sobre uma área desejada (no nosso caso, sobre o filme metálico, já com camada de
isolamento e um filme de alumínio), definido assim que determinadas áreas deverão ou não
passar por determinados processos. Iniciando o processo de fotolitografia, aplicamos o
fotorresiste, material responsável em marcar as trilhas formadoras das bobinas no filme. O
fotorresiste pode ser postivo ou negativo e também pode ser aplicado por várias técnicas de
deposição; sendo que no nosso caso utilizamos um fotorresiste positivo tipo spray chamado
comercialmente de PRP (Figura 6.2).
Figura 6.2: Simulação da aplicação do fotorresiste PRP
Como já diz, o fotorresiste é um material sensível à luz. Portanto, tendo a máscara
pronta e (fabricada fora do nosso departamento, pois não possuímos o sistema de confecção
de micro-máscaras) com as trilhas das bobinas marcadas para um fotorresiste positivo, com
o auxílio de uma fotoalinhadora, alinhamos o filme com a máscara e incidimos luz ultra-
violeta por um determinado tempo. Após a sensibilização do fotorresiste com o UV,
revelamos o mesmo com o revelador próprio do PRP. Agora com a marca das trilhas já no
filme, ou melhor, no alumínio, pois esta foi nossa última camada depositada até o
momento, realizamos a corrosão do alumínio através do etching do alumínio, ou seja,
tratamento (modificação) e remoção do alumínio não coberto por fotorresiste. Para a
preparação do PAN etch como é chamada a solução, utilizamos ácido fosfórico (H
3
PO
4
),
água deionizada (DIH
2
O), ácido nítrico (HNO
3
) e ácido acético (CH
3
COOH) nas seguintes
proporções respectivamente: (16:2:1:1). Utilizamos um bastão de teflon para agitar a
solução, contida em um béquer de grande volume. Este béquer foi mantido em banho-maria
numa temperatura controlada de 40
o
C. Após o banho do sensor na solução por mais ou
menos dois minutos e meio, enxaguamos o mesmo em água deionizada e observamos pelo
microscópio se foram formadas as trilhas. Sendo assim, conseguimos formar as bobinas
excitadoras na primeira fase de construção do sensor (figura 1.10). Recobrimos as bobinas
com mais uma camada de isolante, e interligamos os centros delas, isolando novamente.
Recomeçamos o processo, depositando alumínio por cima da camada de isolamento
elétrico, repetindo todo o processo a partir da aplicação do fotorresiste. Devemos ressaltar
que a máscara com as marcações das trilhas, contém bobinas da ordem de poucos
milímetros.
Na sessão seguinte, consideraremos bobinas formadas por 40 espiras cada uma,
simulando respostas magnéticas para espiras com 20 e 30 µm de passo. Portanto, temos que
pensar que para cada filme depositado de 1 cm
2
, teremos a fabricação de vários micro-
sensores devido a pequena dimensão que conseguimos obter com a máscara produzida
microscopicamente.
6.2 – Simulação da quantidade de espiras em uma bobina
A dificuldade na construção do sensor tanto macro quanto micro está em o mesmo
ser plano, sendo que o maior desafio está na construção das bobinas planares. No item 6.3
estão descritas duas técnicas que foram utilizadas para a tentativa da formação das espiras
formadoras das bobinas. Antes de partir para o procedimento experimental de construir as
bobinas, realizamos um estudo do campo magnético obtido como resposta do sensor devido
à passagem de uma corrente na bobina em função do número de espiras formadoras da
mesma.
Tendo uma espira quadrada de lado a transportando uma corrente I, temos
que o campo magnético para um ponto no eixo da espira, ou seja, perpendicularmente à
espira, a uma distância x de seu centro é dado por [12]:
2
1
2222
2
0
)24()4(
4
)(
axax
aI
xB
⋅+⋅⋅+⋅⋅
⋅⋅⋅
=
π
µ
(6.1)
sendo
µ
0
a constante magnética do vácuo com o valor de 4π.10
-7
H/m, I a corrente elétrica
que percorre a espira, a é a medida do lado da espira.
Abaixo estão mostradas simulações realizadas para estudar a intensidade do campo
magnético resposta devido à aplicação de uma corrente elétrica na bobina, em função da
distância do centro da espira até um ponto fora da espira, medida feita no seu eixo. Como
pudemos ver pela equação 6.1, tal estudo depende da corrente de excitação que percorrerá
as espiras, depende da medida do lado da espira e também da distância de medida do
campo magnético até o centro da espira estudada.
Figura 6.3: Esboço das bobinas excitadoras
Utilizamos 4 diferentes correntes para simular a intensidade do campo magnético
como resposta; e além de variar as correntes aplicadas nas espiras, variamos a distância do
centro da espira até um ponto fora dela. Sendo assim, realizamos o estudo da intensidade do
campo magnético em função da distância do centro até um certo ponto fora da espira para
correntes de intensidade 10, 40, 60 e 90 mA:
0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
Campo Magnético (mT)
Distância (mm)
Corrente 90 mA
Corrente 60 mA
Corrente 40 mA
Corrente 10 mA
Figura 6.4: Gráfico da intensidade do campo magnético em função da distância do centro
da espira até um determinado ponto fora dela para 4 diferentes correntes
Tais estudos foram feitos para podermos ter idéia de como começaríamos a
construção do micro-sensor, pois para a construção do mesmo, como já descrito nos
capítulos anteriores, teríamos que construir máscaras para a confecção das bobinas por
fotolitografia.
6.3 – Fabricação do sensor macroscópico
Para a confecção de um sensor, sendo ele micro ou macro, o mesmo passa por
algumas fases básicas de fabricação: eletrodeposição da liga metálica, isolamento elétrico
com um material apropriado, deposição das trilhas de alumínio para a formação das bobinas
sensoras, novo isolamento, contato elétrico entre os centros das bobinas coletoras, novo
isolamento elétrico, deposição das trilhas de alumínio para obter a bobina de excitação e
por fim, contato elétrico no centro da bobina. Para visualizar as etapas veja a figura 1.10.
Para a primeira tentativa de fabricação do sensor macroscópico, realizamos
eletrodeposições em substratos de cobre no tamanho 5,4 cm x 3,0 cm. O tempo de 300
minutos foi adotado para garantirmos uma maior quantidade de material magnético
depositado sobre o substrato, visando obter um bom sinal como resposta. Após a deposição,
utilizamos dois diferentes materiais para realizar e testar o isolamento elétrico. Utilizamos o
adesivo epóxi Araldite espalhado manualmente com uma espátula e em paralelo estudamos
também a possibilidade de utilizar o PVC dissolvido em THF(Tetrahidrofurano) depositado
por dip-coating sobre o filme de NiFeCo. Foram necessárias 5 camadas de PVC para obter
o isolamento elétrico. A fim de construir as trilhas das bobinas, tentamos construir uma
máscara de cobre (fig 6.5 b) e depois de confeccionada esta seria devidamente posicionada
sobre o substrato para podermos, enfim, depositar por evaporação o alumínio e formar as
trilhas. Construímos as trilhas com um programa computacional apropriado. Imprimimos as
mesmas em uma transparência com uma impressora laser. Com o auxilio de um ferro de
passar roupas, transferimos a grafia da transparência para uma placa de cobre. Agora, com
as trilhas da bobina “impressas” na placa de cobre (fig 6.5 a), partimos para a corrosão da
placa de cobre nos locais onde não existia a tinta da impressora. A corrosão foi realizada
através de um banho em cloreto de ferro diluído, indicado para a corrosão do cobre, por um
tempo de 15 a 30 minutos. Foram várias as tentativas de construirmos uma máscara das
trilhas pelo método descrito acima. Logo abaixo, mostramos o nosso melhor resultado:
Figura 6.5: a) Placa de cobre com a impressão da tinta da impressora transferida com a
ajuda do ferro de passar. b) Placa de cobre já corroída
Podemos ver através da figura 6.5 b) que a máscara que obtivemos pelo método
descrito acima apresentou grande irregularidade nas trilhas, tanto na espessura quanto na
uniformidade delas. A máscara não apresentou estabilidade e as trilhas desenvolveram uma
característica de mola, devido ao peso, saindo do plano. Portanto, tal método foi descartado
para a fabricação da máscara.
Investigamos um novo método para tentarmos marcar e formar as trilhas no filme.
Depois de isolado eletricamente, depositamos sobre o filme alumínio puro por evaporação.
Com o alumínio depositado, jateamos sobre ele uma fina camada de um fotorresiste já
produzido comercialmente (PRP – Positive Photoresist importado por HKW do Brasil).
Importante lembrar que, o fotorresiste é sensibilizado na presença de luz, portanto todo
procedimento que envolvia o fotorresiste foi realizado no escuro. A aplicação do
fotorresiste exigiu alguns cuidados: primeiramente secamos bem o filme com um secador
de cabelos para tirar a umidade e deixá-lo em temperaratura morna para aplicação. Secamos
o ambiente ao redor da placa. Aplicamos o PRP com a placa na horizontal, enquanto a
placa estava morna. Secamos o PRP por 16 minutos na estufa a uma temperatura de 50
o
C.
Submetemos o filme já com o PRP aplicado à luz UV (Ultra Violeta de 234 nm) com o
“sanduiche” de placas de vidro e fotolito sobre o filme (transparência com as trilhas
impressas). Sensibilizamos o PRP por 4 minutos com a UV. Após a sensibilização,
submetemos o filme ao corrosivo do PRP, ou melhor, revelamos a placa no PDN (corrosivo
do PRP), dissolvendo 1 parte de PDN para 3 partes de água (solução fabricada pela mesma
empresa que fornece o PRP). Corroemos e assim já visualizamos as trilhas. Com as figuras
abaixo, podemos visualizar melhor as etapas necessárias para a formação das trilhas
utilizando o PRP:
Fotorresiste e Corrosivo Secagem do filme Aplicação do PRP Secagem do PRP
Filme+máscara
prensados
Caixa com UV Corrosão do PRP Resultado Final
Figura 6.6: Etapas para a formação das trilhas através da aplicação do PRP
Figura 6.7: Trilhas formadas sobre o filme
Após a formação das trilhas do fotorresiste, realizamos a corrosão do alumínio,
assim ficaria somente as trilhas de alumínio protegidas pelo fotorresiste. A corrosão do
alumínio foi feita através do etching do alumínio, ou seja, tratamento (modificação) e
remoção do alumínio não coberto por fotorresiste. O etching é preparado com as seguintes
concentrações: 50 ml de H
2
O deionizada, 25 ml de ácido acético (CH
3
COOH), 25 ml de
ácido nítrico (HNO
3
), 400 ml de ácido fosfórico(H
3
PO
4
). Agitamos a solução com um
bastão de Teflon. Colocamos o béquer em banho-maria com a temperatura da água em
40
o
C. Depois de pronta a solução de corrosão, banhamos o filme nesta solução, por um
tempo de 10 segundos. Logo após esse procedimento, notamos que o PVC (material
utilizado para isolar eletricamente o filme) não resiste à solução corrosiva do alumínio; já o
adesivo epóxi resiste, mas este apresentou uma superfície muito irregular, influenciando
assim na formação das trilhas no momento da corrosão do alumínio, ou melhor, devido a
superfície irregular, o etching muitas vezes invadiu por baixo o fotorresiste corroendo o
alumínio formador das trilhas responsáveis pela constituição da bobina.
Infelizmente não houve tempo hábil em 2 anos para construir o sensor, mas são
poucas as etapas que precisam ser cumpridas para conseguir construí-lo. Na próxima seção
estamos indicando como seria a caracterização do sensor para um próximo trabalho do
nosso grupo de pesquisa.
6.4 – Montagem eletrônica do sensor
O método de detecção mais comumente utilizado é o de detecção por segundo
harmônico discutido por Benyosef & Novak [53]. Infelizmente não conseguimos
desenvolver a tempo a montagem eletrônica a fim de detectar um sinal, mas para dar
continuidade ao trabalho, a montagem descrita a seguir seria a melhor opção. O sinal de
saída da bobina detectora é enviado a um circuito de detecção. Um filtro atenua os demais
harmônicos, e em seguida o sinal é amplificado.
O sensor fluxgate fornece um sinal modulado em amplitude com supressão de
amplitude portadora e está em sincronismo com o segundo harmônico do sinal de
excitação. Nos fluxgates simples e de baixa potência, este sinal é convertido para banda
base através de um demodulador síncrono, filtrado e disponibilizado como sinal de saída. A
acurácia de fluxgates que utilizam a montagem sem realimentação de campo é limitada pela
linearidade da curva de magnetização do núcleo que está próximo de 5% para aplicações de
campo terrestre (60 µT).
Quando procuramos fluxgates mais precisos, utilizamos a realimentação de campo,
representada simplificadamente por uma configuração típica de um circuito que obtém o
campo resposta de um magnetômetro tipo fluxgate:
Figura 6.8: Esquema da montagem de um circuito de leitura para um fluxgate
O circuito que se encontra a esquerda do fluxgate é denominado circuito de
excitação. È constituído de um oscilador sincronizado no dobro da freqüência de excitação,
um flip-flop que tem a função de dividir a freqüência do oscilador por dois e, um
amplificador de potência que amplifica o sinal da saída do flip-flop e fornece a corrente de
excitação à bobina de excitação. O circuito à direita do fluxgate é denominado circuito de
detecção. Amplifica a saída da bobina de detecção, demodula sincronamente utilizando o
sinal do oscilador como referência, integra e amplifica a banda base de saída e realimenta a
bobina de detecção com o sinal de saída através do resistor. O sinal de realimentação
produz um campo magnético dentro do sensor que se opõe ao campo externo, mantendo o
campo dentro do sensor próximo de zero e dentro da faixa linear da curva de magnetização
do núcleo ferromagnético.
A figura abaixo representa o diagrama de blocos do fluxgate:
Figura 6.9: Diagrama de blocos para sensor fluxgate com realimentação de campo. K
C
é a
constante de corrente de campo na bobina, K
S
é a constante de transdução campo-tensão
para o sensor, H
f
é o campo realimentado que se opõe ao campo ambiente e H
a
é o campo
que mantém o da rede do sensor suficientemente pequeno
O campo externo H
a
é oposto ao campo realimentado H
f
, sendo a diferença
convertida em sinal de tensão V
sinal
, tendo como K
S
a representação da função de
transferência de campo para tensão. Tal sinal de tensão é amplificado A e convertido em
sinal de corrente I
f
e depois em campo realimentado H
f
, sendo K
C
a representação da função
de transferência de corrente em campo. A função de transferência geral para o fluxgate é
[41]:
f
sc
s
a
R
AKK
AK
H
V
+
=
1
0
(6.2)
Considerando que o ganho do amplificador A é muito grande de maneira que o
denominador se resume ao seu segundo termo. Desta forma, a equação 6.2 pode ser escrita
como:
c
f
a
K
R
H
V
=
0
(6.3)
Em tais considerações, a função transferência é definida pela razão entre o resistor
de realimentação R
f
e a constante de conversão corrente-campo na bobina de detecção K
C
.
Tais constantes podem ser fixadas. Essa topologia de circuito pode ser robusta e independe
da variação de parâmetros como A e K
f
R
C
K
S
, acurácia de 1% na faixa de temperatura
variando de -80
o
C à 80
o
C facilmente garantida [41].
Sendo assim, teríamos que montar tal circuito descrito acima para poder caracterizar
o sensor em função do campo externo aplicado.
Capítulo 7
Conclusões
7.1 – Caracterização do processo
Comparando os gráficos das figuras 3.1 com 4.1 pudemos notar que os filmes
depositados com a liga de NiFeCo apresentaram um acréscimo de massa linear com a
densidade de corrente; já os filmes depositados com a liga de NiFe apresentaram um
crescimento de densidade de massa polinomial de ordem dois em função da densidade de
corrente, pois para a liga de NiFe como podemos ver através do gráfico da figura 3.6, a
deposição dos elementos níquel e ferro obedecem uma deposição desequilibrada até atingir
a densidade de corrente de 14 mA/cm
2
, pois os elementos possuem potenciais de redução
diferentes e também esses elementos estão contidos na solução em quantidades distintas.
No caso dos filmes de NiFeCo (figura 4.24) os fatores que também contam para a diferença
de deposição dos elementos é o potencial de redução distintos para os três elementos
juntamente com as quantidades desses elementos disponíveis em solução para a deposição.
Como adicionamos o cobalto neste caso, possivelmente o acréscimo desse novo elemento
conduz a uma certa compensação, permitindo assim o crescimento em massa linear com a
densidade de corrente.
7.2 - Caracterização estrutural
7.2.1 - MEV superficial
Quando comparamos as características das superfícies dos filmes notamos que, em
todos os filmes, houve imperfeições devido ao preparo do substrato, não esquecendo que
rugosidade no filme também é devida ao tamanho dos grãos que foram formados. Ainda,
visualmente, os filmes apresentaram um prateado como cor característica de ligas
metálicas. As principais características superficiais dos filmes se devem ao preparo do
substrato, polimento e limpeza. Seria interessante que o método de preparo do substrato
fosse menos manual, a fim de obtermos uma superfície mais regular e homogênea. Não se
esquecendo que o processo de limpeza deve levar certa atenção, já que, quando bem feito
evita possíveis contaminações.
7.2.2 - MEV lateral
O estudo da espessura para os dois tipos de filmes foi feita de forma experimental
através do MEV lateral, mas somente para o filme de NiFeCo é que foi possível a
visualização, e também de forma teórica pelo Método Gravimétrico. Comparando as
espessuras, notamos que existe uma diferença entre medidas experimentais e calculadas. As
calculadas apresentaram espessuras menores, pois para tal cálculo, consideramos o filme
compacto, sem nenhuma imperfeição, sem nenhuma porosidade.
7.2.3 – Espectroscopia de Energia Dispersiva
Para os filmes de NiFeCo (figura 4.24), notamos que a quantidade de níquel
permanece praticamente constante para todas as densidades de corrente, e que a quantidade
de ferro diminui à medida que aumentamos densidade de corrente em contrapartida a
quantidade de cobalto aumenta. Essas respostas se devem aos diferentes potenciais de
redução que cada elemento apresenta (tabela 3.1), juntamente com a quantidade dos
elementos disponíveis na solução eletrolítica. Notamos como resposta magnética que os
valores das coercividades foram mantidos praticamente constantes para densidades de
corrente maiores que 14 mA/cm
2
. O filmes de NiFe apresentaram uma quantidade de ferro
crescente com o aumento da densidade de corrente até 14 mA/cm
2
até atingir tanto o ferro
como o níquel quantidades constantes independente da densidade de corrente. Portanto,
podemos concluir que o filme de NiFe tem a sua coercividade determinada pela quantidade
de ferro presente na amostra, apresentando uma quantidade “ideal”. Já para os filmes de
NiFeCo notamos que com o aumento da densidade de corrente, a quantidade de níquel que
se deposita é praticamente constante, enquanto que a quantidade de ferro diminui com a
corrente, a de cobalto aumenta, também devido aos potenciais de redução combinados com
as quantidades dos elementos disponíveis na solução eletrolítica.
7.2.4 - Raios – X
Os filmes de NiFeCo apresentaram direções preferenciais de crescimento dos grãos
cristalinos (111) e (200) (figura 4.26). O pico (111) se mostra bastante intenso à medida
que aumentamos a intensidade de corrente quando comparado com o pico (200) que
apresentou um crescimento bem discreto. Os filmes de NiFe apresentaram os picos (110) e
(200) como direções preferenciais de crescimento dos grãos (figura 3.9). Podemos
comparar o gráfico do tamanho de grãos em função da densidade de corrente obtido através
da liga de NiFe com o gráfico acima apresentado. Tanto para a liga NiFe como para
NiFeCo, o maior grão foi encontrado quando depositamos o filme com uma densidade de
corrente de 14 mA/cm
2
. Sendo assim, provavelmente a velocidade ideal de crescimento dos
cristais, tanto na direção perpendicular quanto em paralelo, formadores do filme sobre o
substrato, ocorre quando aplicamos uma densidade de corrente de 14 mA/cm
2
. Para
densidades de corrente menores que 12 mA/cm
2
, há o crescimento de muitos núcleos
formadores dos cristais; enquanto que para densidades de corrente maiores que 14 mA/cm
2
ocorre a formação e o crescimento muito rápido dos grãos formadores dos cristais.
7.3 - Caracterização Magnética
A partir das curvas de histerese obtidas através do MAV e do MSQUID, podemos
concluir que o melhor filme a ser utilizado para a construção do sensor foi depositado a
uma densidade de corrente de 14 mA/cm
2
. Esse resultado vale tanto pra filmes depositados
com NiFe – 58,4 A/m (figura 3.19) como para filmes depositados com NiFeCo – 81 A/m
(figura 4.41). Como procuramos um filme que apresente o mínimo de memória magnética,
este foi o que apresentou a menor coercividade magnética quando comparada com as
obtidas para outras densidades de corrente. O filme de NiFeCo ser menos anisotrópico. Já
os filmes de NiFe se mostraram mais anisotrópicos, podendo servir como um sensor de
medida vetorial.
7.4 – Considerações finais
O próximo passo a ser seguido seria a construção do micro-sensor tipo fluxgate
planar. Para desenvolver tal dispositivo será necessário recorrer à técnica de fotolitografia.
Capítulo 8
Referências
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