ligas magnéticas nife e nifeco eletrodepositadas, voltadas para

Download Ligas magnéticas NiFe e NiFeCo eletrodepositadas, voltadas para

If you can't read please download the document

Upload: vandieu

Post on 09-Jan-2017

219 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

  • UNIVERSIDADE DE SO PAULO USP

    FFCLRP DEPARTAMENTO DE FSICA E MATEMTICA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM FSICA APLICADA

    MEDICINA E BIOLOGIA

    Ligas magnticas NiFe e NiFeCo eletrodepositadas, voltadas para aplicaes em micro-sensores magnticos tipo fluxgate

    planar

    Thais Cavalheri dos Santos

    RIBEIRO PRETO SP 2007

    Dissertao apresentada Faculdade de Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto da USP, como parte das exigncias para a obteno do ttulo de Mestre em Cincias. rea: Fsica Aplicada Medicina e Biologia.

  • UNIVERSIDADE DE SO PAULO USP

    FFCLRP DEPARTAMENTO DE FSICA E MATEMTICA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM FSICA APLICADA

    MEDICINA E BIOLOGIA

    Ligas magnticas NiFe e NiFeCo eletrodepositadas, voltadas para aplicaes em micro-sensores magnticos tipo fluxgate

    planar

    Thais Cavalheri dos Santos

    Orientador: Prof. Dr. Marcelo Mulato

    RIBEIRO PRETO SP 2007

    Dissertao apresentada Faculdade de Filosofia, Cincias e Letras de Ribeiro Preto da USP, como parte das exigncias para a obteno do ttulo de Mestre em Cincias. rea: Fsica Aplicada Medicina e Biologia.

  • Words, words, words Shakespeare

  • Dedico este trabalho minha me e minha av,

    que continuam a olhar por mim e ao meu marido

    Ton, sempre presente.

  • Agradecimentos

    Primeiramente a Deus, por todo cuidado e dedicao para com a minha vida.

    A minha irm Llian e meus sobrinhos Thiago e Maria Luiza pela pacincia nos momentos

    de stress.

    Ao meu primo e irmo J por ter me socorrido em todos os momentos difceis e pelas

    infinitas risadas.

    Aos meus pais postios Tia T e Tio Waltinho por todo amor e pacincia em ouvir minhas

    histrias e me ajudar com meus problemas.

    Aos meus verdadeiros amigos do laboratrio: Jlio, Glucio, Ademar, Z Fernando, Naty e

    Mudim.

    As minhas amigas de ontem, hoje e sempre: Raquel, Manoella, Gabriela, Nicole, Flvia e

    Fernanda.

    A Midori pelas medidas de magnetizao e pela amizade principalmente.

    Ao professor e amigo Marcelo Mulato, pela sua compreenso nos momentos difceis em

    que passei na minha vida durante o mestrado.

    Ao ex-tcnico Luciano pelas medidas de EDS e MEV.

    Aos tcnicos Aziani, Carlo, lcio e Marclio pela ajuda no desenvolvimento experimental

    da minha pesquisa.

    Ao CNPq pelo apoio financeiro.

  • Resumo

    O presente trabalho trata da obteno de ligas de NiFe de NiFeCo sob a forma de filmes finos e tambm no seu uso na tentativa em se construir um sensor magntico tipo fluxgate planar. A tcnica de produo utilizada foi a eletrodeposio com regime galvanosttico. A soluo eletroltica utilizada era constituda por sais de nquel e ferro e alguns aditivos. Para depositar os filmes de NiFe, o eletrodo auxiliar era constitudo de nquel; enquanto que para depositar os filmes de NiFeCo, o eletrodo auxiliar era constitudo de cobalto. Os filmes foram depositados em substratos de cobre utilizando densidades de corrente no intervalo de 4 at 28 mA/cm2, com tempos totais de 40 e 60 minutos.

    A caracterizao morfolgica foi realizada utilizando Microscopia Eletrnica de Varredura superficial e de seo lateral e para encontrarmos a composio dos elementos presentes na amostra, realizamos a Espectroscopia de Energia Dispersiva e Difrao de Raios-X. Quanto caracterizao magntica foi utilizado o Magnetmetro de Amostra Vibrante e tambm magnetometria utilizando o Superconducting Quantum Interference Devices (este foi utilizado somente para os filmes de NiFeCo) como o elemento detector do equipamento.

    Os filmes de NiFe crescem com orientaes cristalinas ao longo dos planos (110) e (200); as quantidades de nquel e ferro atingem valores constantes a partir da densidade de corrente de 15 mA/cm2 (embora sempre haja mais nquel que ferro); o ponto de menor coercividade magntica (58,4 A/m) tambm ocorre a partir dessa densidade de corrente, onde filmes com 1 m de espessura so conseguidos para um tempo total de 40 minutos. Nota-se uma assimetria para os campos aplicados perpendicular e paralelamente superfcie do filme. Os filmes de NiFeCo crescem com orientaes ao longo dos planos (111) e (200). Embora sempre haja mais nquel (constante em 70%), as concentraes de Fe e Co se igualam apenas para uma densidade de corrente prxima de 15mA/cm2. Abaixo desse valor h mais ferro, e acima mais Co. A partir dessa densidade de corrente, novamente observa-se um mnimo no valor da coercividade magntica do material (81 A/m). A partir dessa densidade de corrente, tal grandeza teve seu valor mantido praticamente constante. Para essa densidade de corrente filmes de 6 m de espessura so obtidos para um tempo de 40 minutos. Uma menor assimetria magntica observada comparada com o caso anterior. Por esses dados, acreditamos que o filmes de NiFeCo seja um melhor candidato para a confeco do sensor planar tipo fluxgate, e testes iniciais de sua fabricao tambm so apresentados.

  • Abstract

    This work presents the results about the fabrication and characterization of thin films of NiFe and NiFeCo alloys. The attempts to construct the planar fluxgate are also presented. Galvanostatic electrodeposition using an electrolytic solution containing Ni and Fe was used: NiSO4 (0,7 mol/l); NiCl2 (0,02 mol/l); FeSO4 (0,03 mol/l); H3BO3 (0,4 mol/l) and C7H5O3NS.2H2O (0,016 mol/l). The auxiliary electrode was made on Ni for the NiFe films, while another one made on Co was used for the NiFeCo films. Films were deposited on copper substrates using current densities form 4 up to 28 mA/cm2, and total deposition time of 40 and 60 minutes. Structural characterization was performed using Scanning Electron Microscopy (surface and cross-section); Energy Dispersive Spectroscopy, and X-ray Diffraction. Magnetic characterization was performed using two methods: the Vibrating Sample Magnetometry and magnetometry using a SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices) sensor. NiFe films grow with crystalline planes oriented along the (110) e (200) directions; the amount of each material reach constant values for current densities above 15 mA/cm2 (even though there is always more Ni). The point of minimum magnetic coercivity (58,4 A/m) also occurs for this current density, where films 1 m-thick are obtained for a total deposition time of 40 minutes. An asymmetry is observed for magnetic fields applied parallel and perpendicular to the surface of the films. NiFeCo films grow with crystalline planes oriented along the (111) and (200) directions; the amount of Ni remains constant (about 70%) for the whole current density range. The amount of Fe decreases with increasing current density, while the amout of Co shows the opposite behavior. They have equal values for current densities of about 15mA/cm2, where the minimum coercivity of 81A/m is achieved. For higher current densities the coercivity remains constant. For the current density of 15mA/cm2, 6 m-thick films are obtained for a total deposition time of 40 minutes. The magnetic asymmetry is smaller than for the case of the NiFe films. According to the obtained data, we believe that NiFeCo is a better candidate for the fabrication of planar magnetic fluxgate sensors. Initial tests for the fabrication of a prototype are also presented.

  • ndice ndice de Figuras ................................................................................................... I

    ndice de Tabelas ................................................................................................. VII

    Captulo 1 Introduo 1.1 Importncia de se medir campos magnticos ........................................... 1

    1.1.1 Em todas as reas .............................................................................. 5

    1.1.2 Em fsica mdica ................................................................................ 6

    1.2 Tipos de medidores e faixas de medidas analisando custo-benefcio ...... 8

    1.2.1. - Bobina de induo ....................................................................... 9

    1.2.1.1 Antena em anel com ncleo de ar ............................................. 11

    1.2.1.2 Antena em haste ........................................................................ 12

    1.2.2 - Efeito Hall .................................................................................... 12

    1.2.3 Magnetoresistor ........................................................................... 13

    1.2.4 SQUID ......................................................................................... 14

    1.2.5 Fluxgate ....................................................................................... 15

    1.3 Fluxgate macro e micro-sensor planar .................................................... 19

    1.4 - Algumas tcnicas de deposio para ligas metlicas ferromagnticas que constituem

    o ncleo do sensor............................................................................ 19

    Captulo 2 - Eletrodeposio e Tcnicas de Caracterizao 2.1 Processo de eletrodeposio ...................................................................... 24

    2.2 Materiais .................................................................................................... 31

    2.2.1 Soluo eletroltica ...................................................................... 32

    2.2.2 Eletrodo de trabalho .................................................................... 33

    2.2.3 Eletrodo auxiliar ......................................................................... 34

  • 2.3 Tcnicas de Caracterizao ...................................................................... 35

    2.3.1 Difrao de Raio X .................................................................... 36

    2.3.2 Microscopia Eletrnica de Varredura (MEV)............................. 38

    2.3.3 Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS)............................. 40

    2.3.4 Medidas de Magnetometria ......................................................... 41

    2.3.4.1 Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) ....... 44

    2.3.4.2 Magnetmetro de Amostra Vibrante (MAV) ........................... 44

    Captulo 3 - Resultados e Discusses Ligas de NiFe 3.1 Caracterizao do Processo ....................................................................... 47

    3.2 Caracterizao estrutural .......................................................................... 50

    3.2.1 MEV superficial ........................................................................... 50

    3.2.2 Espectroscopia de Energia Dispersiva ........................................ 52

    3.2.3 RaiosX ........................................................................................ 55

    3.3 Caracterizao Magntica ......................................................................... 60

    3.3.1 Caracterizao magntica com o campo aplicado em paralelo .. 61

    3.3.2 - Caracterizao magntica com o campo aplicado em perpendicular 63

    Captulo 4 - Resultados e Discusses Ligas de NiFeCo 4.1 Caracterizao do Processo ...................................................................... 69

    4.1.1 Massa do filme em funo da densidade de corrente .................. 69

    4.1.2 Massa do filme em funo do tempo ........................................... 70

    4.1.3 Taxa de deposio de massa em funo da densidade de corrente 71

    4.1.4 Espessura do filme em funo densidade de corrente ................. 72

    4.2 Caracterizao estrutural .......................................................................... 75

    4.2.1 Microscopia Eletrnica de Varredura superficial ...................... 75

    4.2.2 Microscopia Eletrnica de Varredura lateral ............................. 78

    4.2.3 Espectroscopia de Energia Dispersiva ........................................ 83

    4.2.4 Raios X ...................................................................................... 85

    4.3 Caracterizao Magntica ......................................................................... 93

  • 4.3.1 MSQUID ...................................................................................... 93

    4.3.1.1 Caracterizao magntica com o campo aplicado em paralelo 93

    4.3.1.2 - Caracterizao magntica com o campo aplicado em perpendicular 95

    4.3.2 Magnetmetro de Amostra Vibrante ........................................... 99

    4.3.2.1 Caracterizao magntica com o campo aplicado em paralelo 99

    4.3.2.2 Caracterizao magntica com campo aplicado em perpendicular 102

    Captulo 5 - Comparao entre a liga NiFe e NiFeCo 5.1 Caracterizao do processo ....................................................................... 108

    5.2 - Caracterizao estrutural ........................................................................... 109

    5.2.1 Microscopia Eletrnica de Varredura superficial ....................... 109

    5.2.2 Microscopia Eletrnica de Varredura lateral ............................. 110

    5.2.3 Espectroscopia de Energia Dispersiva ........................................ 110

    5.2.4 Difrao de Raios X ................................................................. 111

    5.3 - Caracterizao Magntica .......................................................................... 111

    Captulo 6 - Micro-sensor planar 6.1 Construo do micro-sensor planar .......................................................... 113

    6.2 Simulao da quantidade de espiras em uma bobina .............................. 115

    6.3 Fabricao do sensor macroscpico ......................................................... 117

    6.4 Montagem eletrnica do sensor ............................................................... 120

    Captulo 7 Concluses 7.1 Caracterizao do processo ....................................................................... 123

    7.2 - Caracterizao estrutural ........................................................................... 123

    7.2.1 - MEV superficial ............................................................................ 123

    7.2.2 - MEV lateral ................................................................................. 124

    7.2.3 Espectroscopia de Energia Dispersiva ....................................... 124

    7.2.4 - Raios X ...................................................................................... 124

  • 7.3 - Caracterizao Magntica ......................................................................... 125

    7.4 Consideraes finais .................................................................................. 125

    Captulo 8 Referncias .............................................................. 126

    ndice de Figuras Figura 1.1: Curva de histerese de um filme de NiFeCo depositado com uma densidade de corrente de 4 mA/cm2 com o campo externo aplicado em paralelo amostra. Os eixos y e x correspondem respectivamente normalizao da magnetizao pela magnetizao de saturao e intensidade do campo externo aplicado Figura 1.2: Grfico dos campos magnticos emitidos em funo da freqncia [22] Figura 1.3: Grfico de comparao entre as faixas de medidas dos vrios tipos de sensores magnticos Figura 1.4: A bobina de induo consiste em um solenide, podendo ou no possuir um ncleo ferromagntico. a) antena em anel com ncleo de ar; b) antena solenoidal com ncleo ferromagntico Figura 1.5: Uma voltagem V d origem a uma corrente I na direo positiva de x. A resitncia hmica V / I. Um campo magntico na direo positiva z deflete os portadores de carga positiva na direo negativa de y. Isto gera um potencial de Hall (VH) e uma resitncia de Hall (VH / I ) na direo de y Figura 1.6: Esquema ilustrativo de um sensor magnetoresistivo. a) Sem aplicao de campo magntico externo, o material apresenta resistncia R1. b) Aplicando um campo magntico externo, o material passa a ter uma resistncia R2 menor que R1 Figura 1.7: a) configurao Schonstedt e b) configurao ring core Figura 1.8: O campo de excitao de um fluxgate condiciona alternadamente o ncleo saturao positiva e negativa, chaveando a permeabilidade do ncleo entre um e um grande valor duas vezes a cada ciclo. A figura acima ilustrativa da variao do fluxo magntico, da permeabilidade e do sinal de tenso no sensor em funo do campo de excitao

  • Figura 1.9: Uma corrente alternada i(t) passando pela bobina primria gera um campo H(t) que realiza todo ciclo de histerese. Quando o ncleo saturado duas vezes durante um perodo na curva de magnetizao, (t) deve ser uma funo peridica com freqncia duas vezes maior que a do sinal de excitao i(t). No havendo campo externo aplicado ao dispositivo, a simetria do sensor faz com que nenhum sinal aparea nos terminais da bobina de deteco Figura 1.10: Esquema ilustrativo do sensor fluxgate tipo planar Figura 1.11: Esquema de uma evaporadora por feixe de eltrons [56] Figura 1.12: Esquema de um sputtering DC [56] Figura 1.13: Esquema de uma clula eletroltica Figura 2.1: Esquema de uma clula eletroltica Figura 2.2: Fotos ilustrativas do circuito utilizado para a eletrodeposio e a soluo eletroltica respectivamente Figura 2.3: Raios-X produzidos em nveis atmicos [79] Figura 2.4: Representao esquemtica dos componentes do MEV Figura 2.5: Exemplo de espectro de energia de amostra de NiFe depositada com uma densidade de corrente de 4 mA/cm2 por um tempo de 40 minutos Figura 2.6: Variao da magnetizao de material magntico com o campo magntico externo aplicado. (a) Regio de deslocamentos reversveis dos domnios magnticos; (b) Regio dos deslocamentos irreversveis dos domnios magnticos; (c) Regio de saturao do material (rotaes dos domnios) Figura 2.7: Estrutura dos domnios magnticos numa barra de material ferromagntico, submetida a um campo magntico externo. (a) Regio de deslocamentos reversveis dos domnios magnticos; (b) Regio dos deslocamentos irreversveis dos domnios magnticos; (c) Regio de saturao do material Figura 2.8: Curva de histerese de um material magntico Figura 2.9: Esquema ilustrativo de um MAV [85] Figura 2.10: Arranjos de bobinas de deteco usadas no MAV Figura 3.1: Densidade de massa do filme de NiFe em funo da densidade de corrente Figura 3.2: Taxa de deposio do filme de NiFe em funo da densidade de corrente

  • Figura 3.3: Espessura calculada pelo Mtodo Gravimtrico em funo da densidade de corrente Figura 3.4: Taxa de crescimento da espessura em funo da densidade de corrente Figura 3.5 : MEV superficial para os filmes de NiFe Figura 3.6: Quantidade de elementos em porcentagem presentes nos filmes de NiFe em funo da densidade de corrente Figura 3.7: Quantidade de elementos em porcentagem presentes nos filmes de NiFe em funo do tempo de deposio para uma densidade de corrente de 14 mA/cm2

    Figura 3.8: Difrao de raios-X para o substrato de eletrodo de cobre e difrao de raios-X para todas as densidades de correntes, nos mostrando intensidade do pico em funo do ngulo de difrao Figura 3.9: Grfico das difraes de raios-X para todas as densidades de corrente Figura 3.10: Grfico da rea integrada do pico (111) referente ao substrato Figura 3.11: Grfico da rea integrada do pico (110) referente ao filme de NiFe Figura 3.12: Razo da rea integrada do pico (110) referente ao filme de NiFe e da rea integrada do pico (111) referente ao substrato de cobre Figura 3.13: Grfico da rea integrada do pico (200) referente ao substrato Figura 3.14: Grfico da rea integradado pico (200) referente ao filme de NiFe Figura 3.15: Razo da rea integrada do pico (200) referente ao filme de NiFe e da rea integrada do pico (200) referente ao substrato de cobre Figura 3.16: Grfico do tamanho do gro em funo da densidade de corrente Figura 3.17: Grficos da magnetizao normalizada em funo do campo magntico aplicado pelo MAV paralelamente s amostras Figura 3.18: Grficos da magnetizao normalizada em funo do campo magntico aplicado pelo MAV perpendicularmente s amostras Figura 3.19: Grfico da coercividade magntica de todos os filmes em funo da densidade de corrente, comparando as medidas com campo aplicado em paralelo e perpendicularmente

  • Figura 3.20: Magnetizao de saturao em funo da densidade de corrente para o campo aplicado em paralelo e em perpendicular em relao ao filme utilizando o MAV Figura 4.1: Grfico da densidade de massa do filme de NiFeCo em funo da densidade de corrente de deposio para filmes depositados por 40 minutos comparados com filmes depositados por 60 minutos Figura 4.2: Grfico da densidade de massa do filme de NiFeCo em funo do tempo de deposio em minutos para duas diferentes densidades de corrente Figura 4.3: Taxa de deposio de massa do filme da liga ternria NiFeCo em funo da densidade de corrente para os filmes depositados por a) 40 minutos e b) 60 minutos Figura 4.4: Espessura calculada do filme de NiFeCo em funo da densidade de corrente para filmes depositados por 40 minutos Figura 4.5: Taxa de crescimento da espessura do filme em funo da densidade de corrente para filmes depositados por 40 minutos Figura 4.6: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 4 mA/cm2

    Figura 4.7: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 8 mA/cm2

    Figura 4.8: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 12 mA/cm2

    Figura 4.9: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 14 mA/cm2

    Figura 4.10: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 16 mA/cm2

    Figura 4.11: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 20 mA/cm2

    Figura 4.12: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 24 mA/cm2

    Figura 4.13: MEV superficial referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 28 mA/cm2

    Figura 4.14: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 4mA/cm2

  • Figura 4.15: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 8 mA/cm2

    Figura 4.16: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 12 mA/cm2

    Figura 4.17: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 14 mA/cm2

    Figura 4.18: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 16 mA/cm2

    Figura 4.19: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 20 mA/cm2

    Figura 4.20: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 24 mA/cm2

    Figura 4.21: MEV lateral referente a amostra depositada por 40 minutos a uma densidade de corrente de 28 mA/cm2

    Figura 4.22: Esquema ilustrativo do substrato mais filme tencionado por expanso Figura 4.23: Grfico comparativo da espessura dos filmes em funo da densidade de corrente Figura 4.24: Grfico da porcentagem de Ni, Fe e Co em funo da densidade de corrente que depositamos o filme Figura 4.25: Grficos da intensidade em funo do ngulo de espalhamento para as oito diferentes densidades de corrente Figura 4.26: Grfico da intensidade em funo do ngulo de espalhamento dos picos para as diferentes densidades de corrente, iniciando para densidade de corrente de 4 mA/cm2 at a densidade de 28 mA/cm2 (de baixo para cima). O S representa os picos do substrato de cobre e (111) e (200) representam os planos de crescimento preferenciais dos picos referentes liga metlica Figura 4.27: Intensidade dos picos relacionados com o filme de NiFeCo em funo da densidade de corrente Figura 4.28: rea integrada do pico (111) referente ao substrato Figura 4.29: rea integrada do pico (111) referente ao filme Figura 4.30: Razo da rea integrada do pico (111) referente ao filme de NiFeCo e da rea integrada do pico (111) referente ao substrato de cobre

  • Figura 4.31: Razo da rea integrada do pico (200) referente ao filme de NiFeCo e da rea integrada do pico (200) referente ao substrato de cobre Figura 4.32: Grfico do tamanho do gro cristalino em funo da densidade de corrente Figura 4.33: Grficos da magnetizao normalizada em funo do campo magntico aplicado pelo MSQUID paralelamente superfcie da amostra Figura 4.34: Grficos da magnetizao normalizada em funo do campo magntico aplicado pelo MSQUID perpendicularmente superfcie das amostras Figura 4.35: Grfico da coercividade magntica de todos os filmes em funo da densidade de corrente, comparando as medidas com o campo aplicado em paralelo e perpendicularmente para o MSQUID Figura 4.36: Magnetizao de saturao em funo da densidade de corrente para o campo aplicado em paralelo e em perpendicular em relao ao filme utilizando o MQUID Figura 4.37: Grficos da magnetizao normalizada em funo do campo magntico aplicado pelo MAV paralelamente superfcie das amostras Figura 4.38: Grficos da magnetizao normalizada em funo do campo magntico aplicado pelo MAV prependicularmente superfcie das amostras Figura 4.39: Grfico da coercividade magntica de todos os filmes em funo da densidade de corrente, comparando as medidas com o campo aplicado em paralelo e perpendicularmente para o MAV Figura 4.40: Magnetizao de saturao em funo da densidade de corrente para o campo aplicado em paralelo e em perpendicular em relao ao filme utilizando o MAV Figura 4.41: Grfico da coercividade magntica de todos os filmes em funo da densidade de corrente, comparando as medidas com campo aplicado em paralelo e perpendicularmente para MAV e MSQUID Figura 5.1: Razo entre taxa de deposio de massa de NiFeCo pela de NiFe em funo da densidade de corrente Figura 5.2: Razo entre taxa de espessura de NiFeCo pela de NiFe em funo da densidade de corrente Figura 6.1: Foto ilustrativa da evaporadora e todo seu aparato de funcionamento Figura 6.2: Simulao da aplicao do fotorresiste PRP

  • Figura 6.3: Esboo das bobinas de excitao Figura 6.4: Grfico da intensidade do campo magntico em funo da distncia do centro da espira at um determinado ponto fora dela para 4 diferentes correntes Figura 6.5: a) Placa de cobre com a impresso da tinta da impressora transferida com a ajuda do ferro de passar. b) Placa de cobre j corroda Figura 6.6: Etapas para a formao das trilhas atravs da aplicao do PRP Figura 6.7: Trilhas formadas sobre o filme Figura 6.8: Esquema da montagem de um circuito de leitura para um fluxgate

    Figura 6.9: Diagrama de blocos para sensor fluxgate com realimentao de campo. KC a constante de corrente de campo na bobina, KS a constante de transduo campo-tenso para o sensor, Hf o campo realimentado que se ope ao campo ambiente e Ha o campo que mantm o da rede do sensor suficientemente pequeno

    ndice de Tabelas Tabela 1.1: Resumo sobre caractersticas essenciais de alguns sensores magnticos Tabela 2.1: Amostras utilizadas nos processos de anlises estruturais e magntica Tabela 3.1: Valores dos potenciais de Nernst para alguns materiais Tabela 4.1: Tabela comparando as espessuras obtidas utilizando o Mtodo Gravimtrico com as medidas atravs do MEV Tabela 4.2: Tabela das porcentagens dos elementos Ni, Fe e Co obtidas atravs do EDS

  • Captulo 1

    Introduo

    Neste captulo citaremos vrias reas onde as medidas de campos magnticos so

    fundamentais, inclusive em especfico a rea de fsica mdica; tipos de medidores e faixas

    de medidas discutindo seus custos-benefcios; princpio fsico e funcionamento do fluxgate

    e discutiremos mtodos de deposio para as ligas metlicas como por mergulho em metal

    fundido (hot dipping), condensao de vapor metlico, vaporizao metlica (metal

    spraying) e eletrodeposio.

    1.2 Importncia de se medir campos magnticos Antes de mais nada, apresentaremos um pouco da teoria magntica para ter o

    entendimento das vrias tcnicas utilizadas nas medidas de campo magntico. A mais

    conhecida fonte de campo magntico presente na natureza uma barra de m. O campo

    magntico produzido por essa barra uma grandeza vetorial, pois possui mdulo, direo e

    sentido.

    O campo magntico produzido por um objeto magntico, quando mensurado a certa

    distncia, dado por [1]:

    ]cos2[4

    )(3

    0

    ))rr+= senr

    r

    mrB (1.1)

    sendo r

    )o vetor unitrio ao longo de r, r a distncia entre a fonte de campo magntico e o

    ponto de medida, mr

    o momento de dipolo magntico e 0 a permeabilidade do vcuo. A

    magnetizao Mr

    nada mais que a intensidade magntica dos objetos magnetizados,

    sendo definida pela razo da densidade do momento mr

    pelo volume V. O vetor

    magnetizao uma propriedade tanto de fontes magnticas internas como pode ser

    induzido por um campo magntico externo.

  • A induo magntica ou campo auxiliar Hr

    tambm um vetor. No vcuo, o campo

    magntico Br

    e o campo auxiliar so proporcionais pelo fator 0 :

    HBrr

    0= (1.2)

    Descreveremos

    agora a relao entre campo magntico, a induo magntica e o vetor magnetizao [2]:

    )(0 MHBrrr

    += (1.3)

    Os vetores Hr

    e Br

    no precisam apresentar a mesma direo. Materiais com

    propriedades magnticas anisotrpicas fazem esses vetores apontarem para direes

    diferentes. O vetor magnetizao pode ser divido em dois: permanente e induzido. O

    permanente independe da presena de campo magntico externo; enquanto que o induzido

    s existe com a presena de campo externo.

    S para efeitos equacionais, dividiremos os materiais em fortemente e levemente

    magnetizados. Nos fortemente magnetizados, a componente de magnetizao permanente

    dominante; enquanto que nos levemente predominantemente induzida e descrita da

    seguinte forma [3]:

    HXMrr

    = (1.4)

    sendo X a susceptibilidade magntica do material. Nos materiais isotrpicos, tal

    susceptibilidade uma medida escalar, enquanto que em materiais anisotrpicos um

    tensor, portanto, o mdulo e direo do vetor de magnetizao dependem da intensidade e

    direo do campo induzido. Sendo assim, o vetor magnetizao no estar sempre alinhado

    com os vetores de induo magntica. Para materiais levemente magnetizados podemos

    escrever [4]:

    ( ) HHXBrrr

    00 1 =+= (1.5)

    sendo a permeabilidade relativa do material.

  • Em se tratando de magnetismo na matria, temos trs categorias principais em que

    os materiais se enquadram: paramagnticos, diamagnticos e ferromagnticos, dependendo

    do comportamento dos momentos magnticos quando o material submetido a um campo

    magntico externo [5, 6, 7].

    O paramagnetismo [8] resulta do alinhamento parcial dos spins eletrnicos (metais)

    por um campo magntico externo. observado em materiais cujos tomos possuem

    momentos magnticos que no interagem fortemente e tambm que possuem nmero mpar

    de eltrons. Na ausncia de campo magntico externo, esses momentos magnticos esto

    orientados ao acaso e a magnetizao total nula. Se um campo magntico externo for

    aplicado ao material, os momentos magnticos tendem a se alinhar paralelamente ao

    campo, mas tal tendncia contrabalanada pela agitao trmica, que tende a desalinhar

    os momentos. A quantidade de momentos que se alinham com o campo ir depender da

    intensidade do campo aplicado e da temperatura [9]. Esta quantidade geralmente pequena,

    pois a energia de um momento magntico em um campo magntico externo normalmente

    muito menor que a energia trmica do material. Sendo assim, mesmo com um campo

    elevado, a agitao trmica faz com que a maioria dos momentos magnticos permanea

    orientada aleatoriamente, a menos que a temperatura seja muito baixa.

    O diamagnetismo [10] causado pela induo de momentos dipolares magnticos

    associados ao movimento orbital dos eltrons. Esses momentos se opem ao campo

    magntico aplicado e, portanto, reduzem o campo magntico total. Consideremos os

    eltrons, presentes na matria, que tenham suas rbitas perpendiculares a um campo

    aplicado externamente (deve haver, pelo menos, um tero de rbitas eletrnicas nessa

    direo, pois, temos mais duas direes perpendiculares a esta e independentes entre si).

    Portanto, ocorrer uma variao no dipolo magntico de cada rbita que proporcional ao

    mdulo do campo aplicado [11]. Tal fenmeno ocorre em todos os tomos independente do

    nmero de eltrons, sendo o efeito mais fraco. Essa variao ocorre de tal forma que o

    campo magntico resultante do dipolo tende a diminuir o campo aplicado quando somados

    vetorialmente. Sendo assim, somando todos os campos magnticos dos dipolos que se

    comportam dessa forma, teremos uma magnetizao em sentido contrrio ao campo

    aplicado. Os tomos que possuem camadas eletrnicas completas apresentam

    comportamento diamagntico. Se em algum momento, no material, algum tomo possuir

  • dipolo magntico permanente, este predominar sobre todos os dipolos induzidos no

    material pelo campo externo [12].

    O ferromagnetismo [13] observado no ferro, no nquel, no cobalto e em ligas

    desses metais. Tais materiais apresentam valores positivos muito altos de susceptibilidade

    magntica. Nesses materiais, a aplicao de um pequeno campo magntico externo pode

    resultar em um alto grau de alinhamento dos momentos magnticos. Em alguns casos, o

    alinhamento persiste mesmo depois que o campo magntico externo removido. Isto

    ocorre porque os momentos magnticos influenciam os momentos vizinhos, fazendo com

    que todos os momentos em uma pequena regio do espao fiquem alinhados mesmo na

    ausncia de um campo magntico externo. A regio do espao na qual todos os momentos

    magnticos esto alinhados denominada domnio magntico. Dentro de cada domnio,

    todos os momentos magnticos esto alinhados, mas a direo de alinhamento varia de

    domnio para domnio, de modo que a magnetizao total de um pedao de dimenses

    macroscpicas de um material pode ser muito pequena ou mesmo nula na ausncia de

    campo magntico externo. Quando aplicamos um campo externo, as fronteiras dos

    domnios se deslocam de tal forma que o momento total na direo do campo aplicado

    aumenta. Sendo que esse efeito acontece mesmo para pequenos valores do campo aplicado,

    o campo magntico induzido no material por um campo externo pode ser muito maior do

    que o prprio campo. Se plotarmos em um grfico a magnetizao na amostra em resposta

    ao campo magntico aplicado, notamos que como o deslocamento das fronteiras dos

    domnios de um material ferromagntico no totalmente reversvel, o material permanece

    magnetizado mesmo quando o campo aplicado totalmente removido. Tal efeito

    conhecido como histerese. Observe a figura abaixo:

  • -3 -2 -1 0 1 2 3

    -0,9

    -0,6

    -0,3

    0,0

    0,3

    0,6

    0,9

    M/M

    S

    H(kA/m)

    Figura 1.1: Curva de histerese de um filme de NiFeCo depositado com uma densidade de corrente de 4 mA/cm2 com o campo externo aplicado em paralelo amostra. Os eixos y e x correspondem respectivamente magnetizao normalizada pela magnetizao de saturao e intensidade do campo externo aplicado

    A rea delimitada pela curva de histerese proporcional energia dissipada como

    calor nos processos irreversveis de magnetizao e desmagnetizao [14-16]. Quando o

    efeito de histerese pequeno, e, portanto, a rea delimitada pela curva e a dissipao de

    energia so pequenas, o material chamado de magneticamente macio. Tal caracterstica

    pode ser obtida atravs da medida da coercividade magntica. Esta medida nada mais que

    a largura do eixo x no ponto central da curva de histerese. Observe tal medida na figura 1.1.

    Os materiais magneticamente macios sero usados como ncleos do nosso sensor, para

    permitir que o campo obtido como resposta varie muitas vezes por segundo sem que a

    dissipao de energia seja excessiva [12].

    1.1.1 Em todas as reas

    Os sensores magnticos so utilizados em diferentes reas. O Magnetmetro de

    Fluxo Saturado (fluxgate) em particular tem aplicaes estratgicas que fizeram dele pea

    importante, especialmente, no perodo da Guerra Fria, onde os satlites-espies americanos

    localizavam os msseis enterrados e vice-versa [17]. O magnetmetro fluxgate

    considerado um dos mais prticos e versteis instrumentos de medidas de campos

    magnticos. Sua origem aconteceu no final da dcada de 1930, com a finalidade de

    substituir os antigos equipamentos mecnicos de maior tamanho e que necessitavam de um

  • perodo relativamente longo para realizar medidas. Este tipo de equipamento teve um

    grande desenvolvimento durante o perodo da 2 Guerra Mundial, onde foi largamente

    utilizado na deteco de submarinos, uma vez que as ondas de radar tm pouca

    penetrabilidade na gua do mar e o sonar, que tambm poderia ser utilizado, poderia

    confundi-los com baleias ou cardumes com alta concentrao de peixes [18].

    Atualmente, o magnetmetro fluxgate amplamente utilizado em trabalhos de prospeco

    geofsica, em sensoriamento remoto, em sistemas de segurana, na indstria e

    especialmente nas pesquisas espaciais, a bordo de satlites cientficos. Outra aplicao,

    utilizando sensores fluxgate, est sendo desenvolvida em conjunto com a Indstria de

    Material Blico do Brasil, visando a otimizao dos tiros de artilharia [19]. Hoje em dia, os

    sensores magnticos so largamente utilizados para medir campos magnticos terrestres,

    realizar leituras de fitas e discos magnticos, confeco de cartes de crdito e de

    identificao. Esses sensores possuem ainda aplicaes indiretas como: confeco de

    sensores de deslocamento mecnico linear e angular e confeco de chaves sem contato

    [20].

    1.1.2 Em fsica mdica

    O grfico abaixo ilustra vrios exames, relacionados com os campos magnticos

    emitidos por vrios rgos do corpo [21]. Sendo assim, podemos pensar nos sensores

    magnticos como auxlio na rea mdica, utilizando-os para medir os campos do corpo,

    sem que necessariamente a pessoa sofra uma interveno invasiva.

  • 10-1 100 101 102 103

    102

    103

    104

    105

    106

    Inte

    nsid

    ade

    de c

    ampo

    (fT

    )

    Frequncia (Hz)

    Contaminantes magnticos no pulmo Correntes abdominais Cardiograma Oculograma Tecido normal diamagntico Miograma Cardiograma Fetal Encefalograma (gama) Encefalograma (alpha) His - Purkinje Hipocampos Crtex sensorimotor Retinograma Atividade cortical de Avoked

    Figura 1.2: Grfico dos campos magnticos emitidos em funo da freqncia [22]

    Sensores magnticos quando otimizados, permitem que sem a interveno cirrgica,

    sejam feitos exames para detectar, por exemplo, o excesso de ferro no fgado de pessoas

    submetidas a seguidas transfuses de sangue, como hemoflicos e portadores de talassemia

    e anemia falciforme [23]. O diagnstico pode auxiliar o mdico a detectar vrias doenas

    decorrentes do acmulo de ferro no organismo. O paciente que foi submetido a uma

    transfuso de sangue, precisa ter ferro quantificado no organismo para controlar a sua

    remoo e evitar acmulo nos tecidos. Utilizamos o exemplo do fgado, pois um rgo

    que acumula em maiores propores o metal.

    Existe outro mtodo comumente utilizado para quantificar a quantidade de ferro

    acumulado no organismo principalmente no bao e no fgado, por exemplo, Imagem por

    Ressonncia Magntica (IRM). Essa tcnica tambm no invasiva e apresenta bons

    resultados, apresentando como desvantagem o alto custo, impedindo muitos centros de

    sade de adquirirem o equipamento adequado.

  • O funcionamento do equipamento de IRM est baseado nas propriedades

    magnticas dos tecidos biolgicos que so aproximadamente iguais da gua e bastantes

    distintas das do ferro presente no corpo. As imagens por RM(ressonncia magntica) so

    caracterizadas pela taxa de relaxao dos prtons da gua presentes nos tecidos, aps serem

    excitados por uma energia eletromagntica, de RF (rdio freqncia) especfica. Quando os

    tomos de ferro esto presentes, essa taxa de relao dos prtons modificada. Quanto

    mais ferro tiver, mais rpida a relaxao. Apesar de ser um mtodo sensvel para detectar

    variaes de ressonncia nos tecidos biolgicos devido a presena de ferro, a IRM um

    mtodo indireto, j que sua preciso depende de ajustes delicados como intensidade de

    campo de magnetizao e seqncia das imagens. Alm disso a IRM no uma boa tcnica

    para altos nveis de ferro, acima de 10 mg/g de tecido mido, pois nesse caso a relaxao

    muito rpida, ficando da ordem do rudo [24-25].

    A ressonncia magntica funcional (RMf) tem se tornado o mtodo de escolha para

    o estudo das funes cerebrais durante a realizao de tarefas cognitivas. Na corrente

    sangnea, o transporte de oxignio realizado quase exclusivamente pelas molculas de

    oxi-hemoglobina e deoxi-hemoglobina. Estas, em condies normais, encontram-se no

    interior das hemcias. As propriedades magnticas da oxi e da deoxi-hemoglobina so

    diferentes. A deoxi-hemoglobina apresenta cinco eltrons no pareados que lhe conferem

    paramagnetismo (propriedade relacionada capacidade de alinhamento com o campo

    magntico), o que altera o campo magntico ao seu redor. Dessa forma, o microambiente

    magntico dentro das hemcias torna-se diferente daquele do sangue livre ao redor. Essa

    heterogeneidade de campos magnticos na vizinhana das hemcias tanto maior, quanto

    maior for a concentrao de deoxi-hemoglobina. Durante a ativao neuronal, h um

    aumento do fluxo sangneo regional. Em uma determinada regio ativada, vemos

    desproporcional aumento do fluxo sangneo, comparado a pouco aumento do consumo de

    oxignio. Da temos que a concentrao de deoxi-hemoglobina cai nas regies ativadas. A

    reduo de sua concentrao em reas ativadas vista como aumento do sinal. Logo,

    podemos detectar reas ativadas como tendo sinal aumentado [26-28].

  • 1.3 Tipos de medidores e faixas de medidas analisando custo-benefcio

    Podemos utilizar diferentes tcnicas para fazer medidas de campo magntico. Cada

    tcnica possui propriedades nicas que a torna mais adequada a aplicaes particulares.

    Tais aplicaes podem variar desde a deteco da presena ou a variao de campo at a

    medida precisa de propriedades vetoriais e escalares de tais campos magnticos. Os

    sensores de campo magntico podem ser divididos em: sensores de componente vetorial

    (vetoriais) e sensores de magnitude (escalares). Nos sensores vetoriais fazemos uma

    subdiviso em: sensores para medio de baixo-campo, ou melhor, abaixo de 1 mT e alto-

    campo, acima de 1 mT. Instrumentos para medio de baixo-campo so chamados de

    magnetmetros, e para medio de alto-campo gaussimetros [29].

    A bobina de induo [30] e o magnetmetro de fluxo saturado (fluxgate) [31] so os

    sensores mais utilizados entre os vetoriais. Tais sensores so seguros, robustos e de menor

    custo quando comparados a outros instrumentos de medio para baixo-campo magntico.

    O magnetmetro de fibra tica o mais novo instrumento desenvolvido para a medida de

    baixo-campo, o seu potencial para o desenvolvimento do seu desempenho significativo

    [32-34]. Os magnetmetros SQUID (superconducting quantum interference device) so os

    mais sensveis entre todos os sensores de campo magntico [35]. Operam em temperaturas

    prximas do zero absoluto e precisam de um sistema de controle trmico, tornando-os

    menos robustos, menos confiveis e mais caros.

    Os mais antigos e comuns para medida vetorial de alto-campo so os dispositivos de

    efeito Hall [36]. S so utilizados em campos maior que 1 T. Os magnetorresistivos so

    prprios para grandes variaes entre alto e baixo campos [37]. Dentro dos

    magnetorresistores existem dois tipos [38-40]: magnetorresistores anisotrpicos

    (Anisotropic Magnetoresistor AMR), utilizados como magnetmetros e magnetorresistivo

    gigante (giant magnetoresistive GMR), com um incremento de dez vezes na sensibilidade,

    promete ser um forte concorrente ao magnetmetro de fluxo saturado (fluxgate) em

    aplicaes de mdia sensibilidade.

  • A tabela abaixo resume vrias caractersticas de alguns sensores magnticos:

    Sensor Faixa (mT) Resoluo (nT) Banda (Hz) Caracterstica Bobina de induo 10-10 a 106 Varivel 10-1 a 106 No mede campos

    estticos Fluxgate 10-4 a 0,5 0,1 dc a 2x103 Magnetmetro

    vetorial de propsito geral

    SQUID 10-9 a 0,1 10-4 dc a 5 Magnetmetro de alta sensibilidade

    Efeito Hall 0,1 a 3x104 100 dc a 108 Ideal para campos maiores que 1 T

    Magnetorresistivo 10-3 a 5 10 dc a 107 Para aplicaes de faixa mdia

    Tabela 1.1: Resumo sobre caractersticas essenciais de alguns sensores magnticos [41]. O grfico abaixo nos mostra a comparao das faixas de funcionamento de alguns

    dos diferentes tipos de sensores magnticos; e nas sees seguintes discutiremos seus

    princpios de funcionamento.

    Figura 1.3: Grfico de comparao entre as faixas de medidas dos vrios tipos de sensores magnticos 1.2.1. - Bobina de induo

    Existe uma grande relao entre campo magntico e campo eltrico. Faraday

    enunciou que se poderia produzir tenso nos terminais de uma volta de um fio aproximando

  • ou afastando um m, levando tal resultado a um sensor de bobina de induo. Portanto,

    campos magnticos so produzidos pelo movimento de cargas eltricas.

    A bobina de induo um dos dispositivos detectores de campo magntico mais

    simples existente [42]. O funcionamento de tal dispositivo baseado na lei de Faraday [43].

    A lei indica que se ocorrer uma variao de fluxo magntico atravs da rea determinada

    por uma espira, uma fora eletromotriz ser induzida na mesma, que ser proporcional

    taxa de mudana do fluxo; ou seja:

    dt

    dt

    =)( (1.6)

    sendo a fora eletromotriz, o fluxo magntico e t o tempo.

    Considerando o campo magntico

    B uniforme e

    A como sendo o vetor normal

    rea de seco reta determinada pela volta do fio, a tenso nos terminais da bobina ser:

    dt

    ABdt

    )()(

    = (1.7)

    para campos uniformes.

    Atravs da equao acima, podemos entender que a variao temporal em

    B ou

    mecnica na orientao de

    A relativa

    B produzir tenso nos terminais da bobina. Se a

    bobina se mantm fixa em relao

    B , o campo esttico no pode ser detectado, mas caso

    a mesma seja rotacionada ou tiver a magnitude de

    A modificada, ento ser possvel medir

    o campo esttico.

  • a)

    b)

    Figura 1.4: A bobina de induo consiste em um solenide, podendo ou no possuir um ncleo ferromagntico. a) antena em anel com ncleo de ar; b) antena solenoidal com ncleo ferromagntico A figura 1.4 representa as duas configuraes mais comuns de bobina de induo

    para medidas de intensidade de campo magntico [41]. O princpio de funcionamento

    igual para as duas diferentes configuraes.

    1.2.1.1 Antena em anel com ncleo de ar

    Tal configurao consiste em um anel circular ou retangular, contendo uma ou mais

    voltas de um fio sem um ncleo magntico. O dimetro do anel na maioria das vezes

    muito maior que as dimenses da seco reta do enrolamento. A sensibilidade de uma

    antena de anel circular com o enrolamento interno ao dimetro d e seco reta retangular

    pode ser estimada pela relao [20]:

  • ++=

    220

    4

    321

    4 d

    t

    d

    tndK

    (1.8)

    sendo t a espessura do enrolamento e n o nmero de voltas.

    Tal configurao usada somente para medir campos magnticos com freqncias

    na faixa que varia de 100 Hz at alguns mega Hertz. Um aspecto negativo seria o tamanho

    que o dispositivo deveria ter quando for necessrio alta sensibilidade em baixas

    freqncias.

    1.2.1.2 Antena em haste

    Esta antena menor que a antena em anel de mesma sensibilidade, podendo ser

    projetada para operar em baixas freqncias [41]. Tem como inconveniente, sua resposta

    no ser linear intensidade de campo magntico alm do ncleo adicionar rudo ao sinal.

    Tal antena constituda basicamente de um solenide com ncleo magntico. O ncleo

    pode ser de seco circular ou retangular, constitudo de material de alta permeabilidade

    relativa. Coloca-se um isolante entre as camadas de enrolamento a fim de reduzir a

    capacitncia e, por fim, colocada uma malha eletrosttica sobre o enrolamento para

    atenuar qualquer campo eltrico acoplado ao sinal.

    1.2.2 - Efeito Hall

    O efeito Hall foi descoberto em 1879 por E. H. Hall, quando o mesmo aplicou um

    campo magntico perpendicularmente direo da corrente eltrica em um condutor

    eltrico [44]. Ele observou que aparecia uma diferena de potencial eltrico nas laterais

    desse condutor na presena de tal campo magntico. O efeito ocorre devido fora de

    Lorentz que tende a desviar as cargas eltricas de sua trajetria [45-46]. Desta forma, cria-

    se um acmulo de cargas nas superfcies laterais do condutor, produzindo ento, uma

    diferena de potencial. Observe a figura 1.5 que ilustra o efeito Hall:

  • Figura 1.5: Uma voltagem V d origem a uma corrente I na direo positiva de x. A resitncia hmica V / I. Um campo magntico na direo positiva z deflete os portadores de carga positiva na direo negativa de y. Isto gera um potencial de Hall (VH) e uma resitncia de Hall (VH / I ) na direo de y

    O excesso de cargas positivas e negativas funciona como um capacitor de placas

    paralelas, com um campo eltrico conhecido como campo Hall. O efeito Hall acontece em

    qualquer material condutor, sendo seu efeito predominante em materiais semicondutores

    [47].

    Existe uma grande vantagem do sensor Hall frente a outros sensores de medidas de

    campo magntico. O Hall tem a capacidade de medir tanto campos contnuos como

    alternados em um nico instrumento. Ele tambm apresenta como outras vantagens a

    velocidade de resposta, durabilidade, variabilidade de formatos e medio sem contato.

    1.2.3 - Magnetoresistor

    Sensores magnetoresistivos tm seu funcionamento baseado na magnetoresistncia

    [48]. Magnetoresistncia um fenmeno que ocorre em materiais que mudam sua

    resistividade eltrica quando expostos a um campo magntico [49]. Alguns materiais

    ferromagnticos tm um grande efeito magnetoresistivo. Atravs da figura abaixo, podemos

    ter uma idia de como um sensor magnetoresistivo funciona:

  • a) b)

    Figura 1.6: Esquema ilustrativo de um sensor magnetoresistivo. a) Sem aplicao de campo magntico externo, o material apresenta resistncia R1. b) Aplicando um campo magntico externo, o material passa a ter uma resistncia R2 menor que R1 Tal esquema acima representa um acoplamento de camadas magnticas externas

    (retngulos brancos), feitas de material ferromagntico e uma fina camada, com dimenses

    da ordem do livre caminho mdio dos eltrons de conduo, de material no magntico no

    interior (retngulo preto). As correntes so fornecidas por uma fonte de tenso.

    Quando no h aplicao de campo magntico externo, representado na fig 1.6 a, as

    camadas de material magntico possuem magnetizaes orientadas em sentidos opostos,

    pois existe uma camada de material no magntico no interior delas. Tal configurao

    permite que o material ferromagntico se oriente em sentidos opostos a fim de minimizar a

    energia.

    No momento em que aplicamos um campo magntico externo, representado na fig

    1.6 b, as magnetizaes do material ferromagntico se orientaro com mesma direo e

    sentido do campo externo aplicado. Considerando uma voltagem constante, notaremos que

    devido aplicao do campo, haver um aumento na corrente detectada, e

    consequentemente, ocorrer, portanto, uma diminuio na resistncia do material [49].

    Campo magntico externo

    I1 I2

  • 1.2.4 - SQUID

    O funcionamento fsico do SQUID se apia no efeito Josephson e na quantizao do

    fluxo magntico em um circuito supercondutor fechado [50]. O efeito Josephson

    caracterizado por uma corrente crtica, sendo que abaixo da mesma, uma barreira de

    potencial supercondutora; e nesse estado, o circuito apresenta uma resistncia nula, tendo

    como conseqncia, mesmo quando polarizado por uma corrente eltrica, a tenso nos

    terminais ser nula. Se existir uma corrente superior ao valor da corrente crtica, a barreira

    de potencial transita para o estado normal, e consequentemente, passamos a detectar uma

    tenso no nula.

    A corrente crtica no SQUID funo do fluxo magntico aplicado, apresentando

    uma periodicidade equivalente ao quantum de fluxo:

    eh 2/ (1.9) sendo h a constante de Plank e e a carga do eltron.

    A determinao com alta resoluo da variao do fluxo que atravessa o dispositivo

    obtida atravs da medida da variao da corrente crtica. Sendo assim, o SQUID pode ser

    chamado de conversor de variao de fluxo magntico em variao da corrente crtica.

    A montagem do SQUID consiste em um anel supercondutor interrompido

    por uma ou duas junes de Josephson. Com uma janela o SQUID denominado RF e com

    duas SQUID DC. O primeiro tem uma montagem relativamente simples, mas em contra-

    partida seu funcionamento exige eletrnica de rdio-frequncia para deteco, gerando

    interferncias nas amostras.

    Se aplicarmos uma corrente contnua de polarizao ao SQUID DC verificaremos

    uma variao de tenso nos teminais. Na verdade, nos magnetmetros convencionais, os

    sistemas apresentam bobinas de entrada, a qual conectada as bobinas de deteco

    (acopladas com a amostra) e uma bobina de modulao que permite incorporar as

    vantagens tcnicas de realimentao e da deteco sncrona (lock-in).

  • 1.2.5 Fluxgate O magnetmetro de fluxo saturado ou fluxgate o principal instrumento de medida

    de intensidade de campo magntico. Tem como vantagens ser robusto, confivel, pequeno e

    opera com baixssima potncia. Tais caractersticas, somadas a sua capacidade na medida

    das componentes vetoriais de campo magntico na faixa de 0,1 nT a 1 mT e na faixa de

    freqncia de um sinal dc a alguns kHz, faz de tal sensor, um instrumento bastante verstil.

    Gegrafos utilizam o sensor em explorao e geofsicos no estudo de campos

    geomagnticos, entre 20 T e 75 T na superfcie terrestre. Alguns sistemas de segurana

    utilizam fluxgate na deteco de armas; engenheiros de satlites utilizam para determinar e

    controlar a altitude dos foguetes espaciais. Como principais aplicaes militares do fluxgate

    so as deteces de minas e deteco de veculos [41].

    O princpio de funcionamento do fluxgate simplesmente a aplicao imediata da

    Lei de Induo de Faraday, vista na equao 1.6, a qual prev a induo de uma fora

    eletromotriz nos terminais de uma bobina, se houver variao no fluxo magntico dentro

    dela. Quando deixamos de lado as mudanas na geometria, podemos provocar variaes no

    fluxo atravs de mudanas na permeabilidade do material que constitui o ncleo da

    bobina. Existem diferentes configuraes de sensores fluxgate. Algumas so mais

    conhecidas, que esto apresentadas logo abaixo:

    a) b)

    Figura 1.7: a) configurao Schonstedt e b) configurao ring core

  • Nessas duas configuraes o campo de excitao perpendicular bobina de

    deteco. Tal caracterstica minimiza o acoplamento entre campo de excitao e o sinal na

    bobina de deteco.

    O sensor fluxgate da fig 1.7 b) (ring core) formado a partir de uma fina fita de

    material ferromagntico que se satura facilmente, ou melhor, que apresenta uma curva de

    saturao B x H praticamente vertical, possuindo alta permeabilidade, = dB/dH, para

    valores de H no muito altos, saturando abruptamente para valores maiores de H, ou seja,

    prximo de zero [51].

    Na figura abaixo, uma corrente alternada aplicada na bobina enrolada ao toride.

    Tal corrente cria um campo magntico que circula pelo ncleo e produz um fluxo no

    material ferromagntico para saturao peridica, primeiro no sentido horrio e segundo no

    sentido anti-horrio. Enquanto o ncleo est entre os extremos de saturao, ele mantm

    uma permeabilidade magntica mdia, muito maior que a do ar.

    Figura 1.8: O campo de excitao de um fluxgate condiciona alternadamente o ncleo saturao positiva e negativa, chaveando a permeabilidade do ncleo entre um e um grande valor duas vezes a cada ciclo. A figura acima ilustrativa da variao do fluxo magntico, da permeabilidade e do sinal de tenso no sensor em funo do campo de excitao No caso contrrio da situao anterior, existe uma componente de campo magntico

    ao longo do eixo da bobina de deteco. Sendo assim, cada vez que o material

    ferromagntico utilizado como ncleo, vai de um extremo de saturao ao outro, o fluxo no

  • ncleo varia de um nvel baixo a um nvel alto. Para campos magnticos dc e de baixa

    freqncia, a tenso na bobina de deteco [41]:

    dt

    tdHnAtVs e

    )()( 0

    = (1.10)

    sendo H a componente do campo magntico a ser medida, n o nmero de voltas da bobina

    de deteco, A a rea da seco reta da bobina de deteco e e a permeabilidade relativa

    efetiva do ncleo.

    Quando a permeabilidade do ncleo varia de um valor baixo a um valor alto, so

    produzidos pulsos de tenso na bobina de deteco com amplitude proporcional

    magnetitude do campo magntico externo e com a fase indicando a direo do campo, j

    que o fluxgate um sensor com medidas vetoriais de campo. A freqncia do sinal o

    dobro da freqncia de excitao, sendo que a transio de saturao a saturao acontea

    duas vezes em um nico perodo de excitao.

    Figura 1.9: Uma corrente alternada i(t) passando pela bobina primria gera um campo H(t) que realiza todo ciclo de histerese. Quando o ncleo saturado duas vezes durante um perodo na curva de magnetizao, (t) deve ser uma funo peridica com freqncia duas vezes maior que a do sinal de excitao i(t). No havendo campo externo aplicado ao dispositivo, a simetria do sensor faz com que nenhum sinal aparea nos terminais da bobina de deteco

  • F. Primdahl [52] enuncia outra aproximao vlida para a tenso induzida na bobina

    de deteco:

    exaaS BfANV = )(2 minmax0 (1.11) sendo VS a tenso induzida na bobina sensora, N o nmero de espiras na bobina sensora, A a

    rea da seco transversal do ncleo, f0 a freqncia de excitao, amax a permeabilidade

    aparente mxima, amin a permeabilidade aparente mnima e Bex o campo externo a ser

    medido.

    Para encontrar a permeabilidade aparente, consideramos que:

    )]1(1[ += rra D (1.12)

    sendo r a permeabilidade do ncleo e D o fator de desmagnetizao do ncleo.

    Tendo o sinal de excitao uma freqncia f e sendo um sinal peridico qualquer, o

    sinal induzido dever apresentar componentes pares em relao ao sinal de excitao. As

    componentes mpares aparecem como rudo, devido a falta de uma simetria perfeita no

    arranjo [53].

    1.3 Fluxgate macro e micro-sensor planar A fim de construir o micro-sensor planar, inicia-se o processo construindo o macro-

    sensor. Abaixo, est explicitado um esquema ilustrativo das vrias fases presentes na

    construo do sensor:

  • Figura 1.10: Esquema ilustrativo do sensor fluxgate tipo planar Atualmente so realizados grandes esforos no sentido de miniaturizar esse tipo de

    dispositivo. No entanto, a miniaturizao um fator que limita muito a sensibilidade e

    acrescenta nvel extra de rudo [54]. Com o avano da micro-tecnologia, e

    consequentemente, a micro-fabricao, baseado na utilizao de fotolitografia, possvel

    obter tais dispositivos com caractersticas extremamente notveis. Muitos deles, embora

    tenham dimenses muito reduzidas, possuem, ainda, alta sensibilidade com deteco de 0,1

    nT, tima linearidade e uma resoluo que alcana os 60 nT [55].

    1.4 - Algumas tcnicas de deposio para ligas metlicas ferromagnticas que constituem

    o ncleo do sensor

    Existem vrias tcnicas de deposio de ligas metlicas. Neste item iremos explicar

    sucintamente algumas delas e explicitar algumas vantagens e desvantagens. A deposio de

    metais pode ser feita por mergulho em metal fundido (hot dipping), condensao de vapor

    metlico, vaporizao metlica (metal spraying), sputtering, evaporao trmica,

    evaporao por feixe de eltrons (e-beam) e eletrodeposio.

    Um dos mtodos muito utilizados para a deposio de metais a evaporao por

    feixe de eltrons (e-beam). Em tal processo, o material a ser evaporado ou depositado,

    Bobina detectora

    Camada isolante

    Camada isolante

    Bobina excitadoras

    Filme metlico

    Substrato de cobre

    Camada isolante Ponte eltrica

  • colocado em um cadinho e o processo realizado em uma cmara de vcuo com a presso

    de base em torno de 10-7 torr. A evaporao feita por incidncia direta do feixe de eltrons

    no material e a formao do filme pela condensao do material evaporado e transportado

    para a superfcie da amostra. A figura abaixo nos mostra um esquema do que acabou de ser

    descrito:

    Figura 1.11: Esquema de uma evaporadora por feixe de eltrons [56]

    Na microeletrnica a maior utilizao da evaporadora e-beam se d na necessidade

    de depositar mais de um material ou um em cima de outro. Sua alta energia por feixe de

    eltrons permite a deposio de vrios tipos de materiais.

    Outro mtodo largamente utilizado para depositar ligas metlicas o sputtering. O

    material a ser depositado desalojado do alvo por bombardeamento de ons e, sendo que

    tambm incide ons de alta energia na superfcie do substrato, este introduz uma pequena

    degradao na superfcie do substrato sendo benfico para a deposio, pensando-se no

    aspecto de aderncia do metal na superfcie.

    Ainda com a microeletrnica no to desenvolvida, o sputtering era a tcnica

    preferida pra a cobertura de materiais, tendo em vista a sua menor exigncia no aspecto de

    vcuo, que era em torno, para o sputtering, na faixa de mtorr e para a evaporao, menor

    que 10-5 torr. Evoluindo o sistema de tecnologia de sputtering, da disponibilidade de gases

    ultra-puros e utilizao de baixas presses, a problemtica da contaminao por

    incorporao de gases nos filmes depositados por sputtering foi reduzida a nveis aceitveis

    para processo de circuitos integrados, sendo hoje o mtodo mais utilizado para a fabricao

    de circuitos integrados. Tal escolha se deve ao fato das melhores caractersticas dos filmes

  • depositados por sputtering do que por evaporao, como aderncia, uniformidade, melhor

    composio de filmes compostos e ligas, e melhor cobertura em degraus. Existem

    sputerring com diferentes tipos de fontes empregados para a ionizao dos gases: DC

    Sputtering, que utiliza uma fonte DC (fig 1.12); RF Sputtering, onde a fonte de ionizao

    uma tenso RF; Bias Sputtering, que permite polarizar o substrato e assim efetuar a

    deposio e o etching simultaneamente; Magnetron Sputtering, que utiliza o campo

    magntico (ms) para aumentar a porcentagem de eltrons que participam da ionizao dos

    gases para melhorar a taxa de colises dos processos sputtering DC e RF que so bastante

    baixas. O sputtering apresenta desvantagens como alto custo do equipamento; a taxa de

    deposio de alguns materiais pode ser bastante baixa; alguns materiais degradam pelo

    bombardeamento de alta energia; como o processo efetuado em presses maiores que as

    utilizadas em evaporaes, pode ocorrer uma incorporao de impurezas ao filme

    depositado.

    Figura 1.12: Esquema de um sputtering DC [56]

    Agora descreveremos um pouco do mtodo de eletrodeposio de metais, o qual foi

    utilizado para depositar nossos filmes de NiFe e NiFeCo.

    Na operao de eletrodeposio, a pea a ser tratada considerada o ctodo de uma

    clula eletroltica que contm uma soluo conhecida como banho de deposio. Esta

  • possui ons do metal que se deseja depositar. O esquema abaixo apresenta um esquema de

    uma clula eletroltica:

    Figura 1.13: Esquema de uma clula eletroltica

    O nodo dessa clula geralmente do mesmo metal a ser depositado, mas pode ser

    tambm de algum material altamente condutor (como cobalto, por exemplo), insolvel no

    banho nas condies atuantes. O ctodo da clula conhecido como eletrodo de trabalho e

    no nosso caso, o ctodo constitudo de cobre. Tal operao de deposio efetuada pela

    passagem de uma corrente atravs da clula, onde uma fonte da fora eletromotriz poder

    ser uma bateria ou um gerador de corrente contnua ou de corrente alternada retificada. No

    nosso caso, utilizamos uma fonte de corrente contnua.

    Devido diferena de potencial, ons metlicos so gerados pela dissoluo no

    nodo e, assim como os ons metlicos do eletrlito em soluo, movem-se na direo do

    ctodo, sobre o qual so depositados em estado metlico.

    No caso do nodo ser do tipo insolvel, a reao eletroqumica neste eletrodo

    consistir na descarga de ons negativos (oxidao) e, usualmente em meio aquoso, na

    reao de desprendimento de oxignio. Em tal caso, o contedo em on metlico do banho

    deve ser mantido por adies peridicas do metal sob a forma de xido ou hidrxido que,

  • ao mesmo tempo, neutraliza a acidez crescente que acompanha a eletrlise sob tais

    circunstncias.

    A quantidade de transformaes que ocorrem no ctodo ou no nodo durante a

    eletrlise proporcional quantidade de eletricidade que passa atravs da soluo. Desde

    que no ctodo ons de hidrognio sejam descarregados ao mesmo tempo em que os ons

    metlicos, a eficincia do processo menor que 1. De qualquer maneira, sob quaisquer

    condies, a espessura do depsito deve ser proporcional ao tempo de deposio.

    Para se obter um satisfatrio recobrimento do filme com a liga metlica, devemos

    controlar trs variveis: composio qumica do banho, temperatura e densidade de corrente

    catdica. Tais variveis exercem influncia direta sobre o carter do depsito e esto

    relacionadas entre si de tal forma que se uma delas for alterada, as outras se alteraro [57].

    As coberturas obtidas por eletrodeposio so de espessuras mais uniformes, menos

    porosas que as vaporizadas e de maior pureza. O mtodo permite facilmente o controle da

    espessura da camada depositada. Alm de todas as vantagens citadas acima, frente outros

    mtodos de deposio, a eletrodeposio um mtodo extremamente barato, de fcil

    montagem, quando comparado com os mtodos descritos acima, j que no necessita de

    vcuo, muito menos de gases para a deposio dos filmes.

    Nosso objetivo no trabalho foi estudar as propriedades estruturais e magnticas dos

    filmes finos compostos pelas ligas metlicas NiFe e NiFeCo eletrodepositados. Procuramos

    encontrar o melhor filme para que este possa ser utilizado como ncleo na confeco de um

    micro-sensor magntico tipo fluxgate planar. No captulo 2 descreveremos detalhadamente

    todo o processo de eletrodeposio, juntamente com os materiais utilizados em todo

    experimento e tambm ser explicado todos os mtodos que utilizamos para caracterizao

    estrutural e magntica dos filmes. No captulo 3 apresentaremos os resultados e discusses

    dos filmes finos compostos pelas ligas de NiFe. O mesmo estudo ser feito no captulo 4

    para os filmes finos compostos pelas ligas de NiFeCo. No captulo 5 compararemos as

    caractersticas estruturais e magnticas obtidas para os filmes das ligas de NiFe e NiFeCo,

    procurando encontrar o filme mais apropriado para a aplicao como ncleo do micro-

    sensor tipo fluxgate planar. O captulo 6 apresentar em detalhes, os passos para a

    construo de um micro-sensor planar, juntamente com uma simulao da quantidade de

    espiras em uma bobina e tambm a montagem de toda a eletrnica necessria para

  • caracterizar o sensor. Por fim, apresentaremos o captulo de concluso buscando a melhor

    liga e as melhores condies de fabricao para podermos obter o filme certo para a

    aplicao do ncleo de um micro-sensor tipo fluxgate planar.

    Captulo 2

    Eletrodeposio e Tcnicas de Caracterizao

    Descreveremos a seguir detalhadamente o processo de eletrodeposio. Logo aps

    apresentaremos os materiais e mtodos utilizados para confeccionar e analisar

    respectivamente nossos filmes.

    2.1 Processo de eletrodeposio A eletrodeposio o processo de formao de depsito associada a uma reao

    eletroqumica [58-60]. Juntamente com a transferncia de cargas atravs da interface

    eletrodo/eletrlito, ocorrem reaes qumicas cujos produtos so slidos. Reaes

    eletroqumicas onde ocorrem a formao de depsitos podem ser reaes redutoras ou

    reaes oxidantes. Durante as reaes redutoras ocorre a transferncia de eltrons do

    eletrodo para o eletrlito (deposio catdica), e durante as reaes oxidantes ocorre a

    transferncia de eltrons do eletrlito para o eletrodo (deposio andica).

    Para a deposio de metais as principais tcnicas utilizadas de eletrodeposio so:

    galvanosttica, potenciosttica, eletrodeposio espontnea e deposio pulsada. Na tcnica

    de eletrodeposio galvanosttica, a corrente flui atravs da clula eletroqumica, sendo

    mantida constante. Por outro lado, na eletrodeposio potenciosttica, aplicado um

    sobrepotencial mantendo-o fixo durante a deposio. A deposio qumica electroless no

    exige aplicao de corrente ou potencial, pois a mesma ocorre espontaneamente. Na

    deposio pulsada, aplicamos pulsos de corrente ou potencial na clula eletroltica. Para

    todas as tcnicas acima, o tempo o fator que determina a espessura do filme depositado.

    Com a tcnica potenciosttica ou galvanosttica, podemos a partir de um nico eletrlito,

    com diferentes ons metlicos dissolvidos, depositar camadas com diferentes componentes.

  • Para a obteno de filmes finos de NiFeCo e NiFe, optamos pela tcnica de

    eletrodeposio galvanosttica. As caractersticas morfolgicas e estruturais do filmes

    variam de acordo com a densidade de corrente utilizada para cada depsito, como ser visto

    posteriormente.

    Como os tomos metlicos no so depositados sobre o substrato como uma simples

    monocamada, a eletrodeposio de metais passa por duas importantes etapas: nucleao e

    crescimento. A etapa de nucleao muito importante quando o eletrodo de trabalho no

    composto pelo material a ser depositado. Assim, necessrio a criao de ncleos para o

    posterior crescimento do depsito, sendo esta a situao para as duas diferentes deposies

    realizadas no nosso trabalho.

    Em todo o volume da soluo e na dupla camada, regio de fronteira entre duas

    fases com composies diferentes que caracterizada pela presena de foras anisotrpicas,

    os ons metlicos esto solvatados por molculas de gua, ou seja, os ons metlicos esto

    envoltos por molculas de gua. Em primeiro lugar, o on metlico adsorvido superfcie

    do eletrodo sendo totalmente ou parcialmente neutralizado. Neste estado o on metlico

    torna-se um adtomo, ou melhor, um estado intermedirio entre o estado inico na soluo

    e o estado metlico no eletrodo de trabalho. Este adtomo, quando chega at o eletrodo de

    trabalho, vai se deslocando pelo mesmo at encontrar alguma irregularidade. Tal

    irregularidade pode ser algum defeito ou rugosidade na superfcie do eletrodo, ou tambm

    como uma impureza ou um ncleo de crescimento do depsito. Para tal adtomo passar

    para o estado metlico, deve haver um certo consumo de energia. Se por acaso o tomo

    metlico se fixar diretamente no eletrodo, tal energia para formar esse ncleo de

    crescimento muitas vezes maior que a energia gasta para formar uma ligao metal-metal.

    O crescimento de vrios ncleos dar origem a formao de gros, por isso a morfologia de

    filmes eletrodepositados tridimensionalmente granular.

    Nos instantes iniciais da eletrodeposio, no modo galvanosttico, ocorre a

    formao e o crescimento dos ncleos, a rea eletroativa cresce rapidamente resultando em

    uma diminuio acentuada no mdulo do potencial. Conforme as bordas dos gros se

    encontram, a rea eletroativa diminui, e juntamente com tal processo ocorre o consumo dos

    ons da camada de Helmholtz(regio logo aps aos ons que foram solvatados ao substrato

    metlico) e a taxa de deposio passa a sofrer influncia do transporte de massa, ou melhor,

  • difuso dos ons da soluo para a superfcie do eletrodo. Devido a esses dois processos

    simultneos, o potencial tende a aumentar. Quando a taxa de reao totalmente controlada

    pelo transporte de massa, o potencial tende a um potencial de equilbrio.

    Na eletrodeposio, um dos principais fatores a eficincia do processo.

    Certamente procuramos uma eficincia de 100 % correspondendo a que toda corrente

    fornecida para clula eletroltica seja referente reao.

    Durante a eletrodeposio devemos nos atentar para a formao secundria de

    hidrognio [61-63]. Na soluo predomina um carter cido, pois existe uma abundncia de

    H+ vindo dos eletrlitos utilizados. Tal carter tambm se deve a proximidade do potencial

    padro de reduo dos metais e do hidrognio, ou seja, muitas vezes o metal deixa de

    reduzir para o hidrognio sofrer reduo. A participao do hidrognio na deposio de

    metais acontece na maioria dos casos. Durante a deposio podemos notar a formao de

    bolhas de hidrognio sobre o substrato, impedindo o recobrimento do substrato em certos

    pontos, em outros casos as bolhas so cobertas pelos depsitos gerando poros. Em outro

    caso tambm pode ocorrer a reao entre metal e hidrognio formando hidreto e

    consequentemente comprometendo a estrutura e morfologia do filme eletrodepositado.

    Os experimentos eletroqumicos so realizados em cubas eletrolticas (observe a fig.

    2.1). Dentro da cuba colocado o eletrlito, onde so imersos os eletrodos de trabalho e

    auxiliar, para a medida das correntes e potenciais eltricos envolvidos nas diferentes

    reaes. A observao de formao de depsitos nos eletrodos deu incio aos estudos da

    eletrodeposio. A necessidade tecnolgica de aprimoramento de tcnicas para o

    revestimento de superfcies e a conseqente alterao das propriedades das mesmas

    incentivou tal estudo. Portanto, o incio da eletrodeposio de metais foi praticamente

    simultneo ao desenvolvimento da eletroqumica [64].

  • Figura 2.1: Esquema de uma clula eletroltica

    Estudando um pouco a parte de eletroqumica para compreendermos o processo de

    eletrodeposio, Faraday introduziu termos eletroqumicos que so utilizados at os dias de

    hoje [65-73].

    Sendo a conduo de eletricidade a caracterstica intrnseca dos materiais

    participantes, apropriado considerar um sistema eletroqumico como composto por, no

    mnimo, dois condutores eletrnicos, ou melhor, eletrodos, separados por um condutor

    eletroltico.

    A passagem de uma corrente eltrica de um condutor metlico para um condutor

    eletroltico, ou vice-versa, sempre acompanhada por uma reao eletroqumica. Essa a

    forma genrica do enunciado da Lei de Faraday. Quantitativamente, Faraday tambm

    props: A magnitude do efeito qumico, em equivalentes qumicos, a mesma tanto na

    superfcie metlica quanto na soluo eletroltica e est determinada pela quantidade de

    eletricidade que passa [74]. Tal frase corresponde a: se um equivalente de eltrons flui

    atravs de uma interface, um equivalente-grama da espcie envolvida no processo

    eletrdico dever ser oxidado ou reduzido. A carga correspondente a um equivalente de

    eltrons tradicionalmente conhecida pelo nome de constante Faraday e corresponde a:

    F = N.e (2.1)

  • sendo F a constante de Faraday, N o nmero de Avogadro e e a carga do eltron.

    Substituindo os valores de N e de e, obtemos F = 96500 C. Assim, em uma eletrlise na

    qual a corrente mantida constante, a massa de material envolvida em cada um dos

    processos eletrdicos pode ser calculada pela seguinte equao:

    F

    tIEm

    q= (2.2)

    sendo I a corrente, t o tempo e Eq o equivalente-grama da espcie envolvida no processo

    eletrdico, ou melhor:

    n

    MMEq = (2.3)

    sendo, n o nmero de eltrons envolvidos na reao eletroqumica.

    Como j dito, o sistema eletroqumico deve ser composto, no mnimo, por dois

    eletrodos imersos em um eletrlito que transporta ons, conforme representado na figura

    2.1.

    Estudando o eletrlito, em condies fora do equilbrio, quando circula corrente

    eltrica, observamos os fenmenos de transporte de massa: a difuso, migrao e

    conveco. J no estudo da interface eletrodo/soluo em condies fora do equilbrio,

    teremos que estudar conceitos baseados na cintica eletroqumica.

    Passando corrente eltrica atravs de uma clula eletroltica, provocamos um

    desequilbrio no sistema, podendo ser caracterizado pelos seguintes fenmenos que se

    manifestam no interior do sistema: 1) ocorre um par de reaes nos eletrodos, 2)

    verificamos a movimentao de espcies na soluo eletroltica e, 3) surge o fenmeno de

    polarizao eletrdica.

    Como a reao ocorre na interface eletrodo/soluo, que caracterizada pela

    existncia de anisotropia de foras e pela presena de campos eltricos, ser necessrio

    descrevermos um pouco os fenmenos da dupla camada eltrica e suas conseqncias para

    a velocidade das reaes eletrdicas.

  • A regio fronteiria entre duas fases com composies diferentes caracterizada

    pela presena de foras anisotrpicas. de tal anisotropia de foras que surge o fenmeno

    da tenso superficial e as demais propriedades caractersticas da interface. Considerando

    um soluto inico dissolvido em gua, observamos que o comportamento de um on presente

    no interior da soluo guiado por foras isotrpicas, enquanto que o comportamento do

    on perto da superfcie guiado por foras anisotrpicas. Dependendo da componente total

    das foras anisotrpicas superficiais, nas regies prximas interface ocorrer um aumento

    ou uma diminuio da concentrao do on. Em tal caso, como espcies carregadas

    eletricamente esto envolvidas, o resultado ser uma distribuio desigual de cargas

    eltricas da qual se segue aparecimento de uma diferena de potencial entre a superfcie e o

    interior da soluo. Em uma interface eletrodo/soluo eletroltica, os fenmenos ocorrem

    de forma semelhante ao que se foi descrito acima, diferindo apenas no fato de que a queda

    de potencial entre o eletrodo e a soluo pode ser controlada atravs de um circuito externo.

    A regio fronteiria denominada de dupla camada eltrica. Nas interfaces

    eletrodo/soluo possvel inserir uma diferena de potencial varivel atravs de uma fonte

    externa, permitindo controlar externamente a adsoro de cargas e dipolos. A adsoro de

    espcies na interface eletrodo/soluo envolve tanto ons quanto dipolos. Na ausncia de

    transferncia de carga atravs da interface a condio termodinmica de equilbrio exige

    que a interface seja eletricamente neutra. Isto equivale a dizer que a uma dada carga no

    eletrodo corresponder uma carga igual e de sinal oposto na soluo. A interface pode ser

    considerada como um capacitor de placas paralelas. Portanto, as leis que regem o

    comportamento eltrico dos capacitores tambm podem ser aplicadas dupla camada

    eltrica, sendo uma delas relacionada com a capacidade eltrica ou capacitncia (C). Esta

    grandeza definida como a relao entre a carga acumulada em uma das placas do

    capacitor e o potencial aplicado. De forma semelhante a um capacitor, para a dupla camada,

    pelo princpio da eletroneutralidade, podemos considerar que a carga acumulada no metal

    igual e de sinal contrrio carga acumulada na soluo.

    Quando injetamos uma carga eltrica em um eletrodo atravs de uma fonte externa,

    que o nosso caso, podem correr duas situaes: 1) A carga acumula-se na interface

    eletrodo/soluo. Neste caso, a diferena de potencial atravs da interface depende da carga

    injetada, o que ilustra a forma de controlar externamente essa diferena. Neste caso, o

  • eletrodo polarizado. 2) A carga injetada escoa atravs da interface sendo transferida a

    alguma das espcies em soluo. Assumindo que essa transferncia seja suficientemente

    rpida, ser observado que a diferena de potencial atravs da interface permanece

    inalterada. A diferena de potencial entre os dois eletrodos que compem a clula

    eletroqumica a variao entre as diferenas de potenciais de duas interfaces. Variaes

    nessa diferena de potencial se traduzem em variaes na diferena de potencial na

    interface do eletrodo de trabalho.

    As quantidades de nions e ctions adsorvidos so iguais, j que a carga na interface

    do lado da soluo tambm deve ser nula, somente no potencial de carga zero. A isoterma

    de adsoro uma relao analtica que relaciona a quantidade adsorvida de um

    componente em uma interface com a concentrao deste componente no meio da fase. A

    isoterma de adsoro muito utilizada, mas devido aos diferentes tipos de interaes que

    guiam a adsoro de diferentes espcies, no existe uma nica isoterma para todas as

    situaes. Nas interfaces carregadas, como o caso das interfaces eletrodo/soluo, surge

    um problema: a quantidade adsorvida depende do estado eltrico da interface que deve ser

    especificado atravs do potencial ou mesmo a carga no eletrodo.

    At o momento tratamos de adsoro de ons, principalmente nions, pois todas as

    solues usadas em eletroqumica contm, em geral, uma considervel concentrao de

    ons para torn-las condutoras. Entretanto, a adsoro de substncias neutras, dentre as

    quais se inclui o solvente da soluo eletroltica, pode ter uma grande importncia na

    definio das propriedades fsico-qumicas da interface eletrodo-soluo. Considerando

    substncias neutras que se adsorvem sobre um eletrodo importante diferenciar dois

    grupos: as que apresentam uma interao especfica com o material do eletrodo atravs de

    foras de curto alcance e as que se adsorvem por ao de foras eletrostticas de longo

    alcance. No caso dos ons, a adsoro de molculas neutras requer que o solvente seja

    deslocado da superfcie do eletrodo. Se ambos os componentes da soluo, adsorbato e

    solvente, comportam-se como dipolos, a adsoro relativa depender dos respectivos

    momentos dipolares. O campo eltrico na interface eletrodo/soluo muito forte. Isso

    provoca um deslocamento das cargas eltricas na molcula, sendo necessrio considerar o

    momento dipolar efetivo, no campo eltrico, e no o momento dipolar permanente da

    molcula isolada. Assumindo que o deslocamento de cargas na molcula seja proporcional

  • ao campo eltrico, e que sem dvida, uma aproximao por ser um campo muito forte,

    possvel escrever o momento dipolar efetivo como soma de duas contribuies o momento

    dipolar permanente mais o momento dipolar induzido pelo campo eltrico. Observemos

    agora um comportamento atpico da gua usada como solvente na maioria das solues.

    Para valores pequenos da densidade de carga no eletrodo, o momento dipolar efetivo da

    molcula neutra predomina e esta se adsorve preferencialmente. Para cargas mais elevadas,

    o momento dipolar efetivo da gua que predomina, e a gua se adsorve preferencialmente

    [74].

    A passagem de corrente eltrica atravs de uma interface eletrodo/soluo sempre

    leva a uma reao eletroqumica atravs da qual reagentes transformam-se em produtos.

    Para que esta reao ocorra, so necessrias vrias etapas bsicas: 1) a espcie reagente

    deve aproximar-se da interface eletrodo/soluo, onde efetivamente ocorre a reao. 2) j

    na superfcie, a espcie reagente envolve-se na reao de transferncia de carga,

    transformando-se em produto. 3) simultaneamente, a carga eltrica envolvida no processo

    deve ser transportada em direo ao outro eletrodo, garantindo assim a eletroneutralidade

    da soluo eletroltica. Neste processo h uma corrente eltrica atravs do circuito externo e

    uma corrente inica atravs da soluo.

    A clula eletroltica utilizada para o nosso sistema de eletrodeposio, era composta

    por um eletrodo de trabalho de cobre, eletrodo auxiliar de nquel quando depositamos

    filmes de NiFe e eletrodo auxiliar de cobalto para depositar os filmes de NiFeCo. A soluo

    eletroltica utilizada foi a mesma para a deposio das duas diferentes ligas. Sua

    composio e seu preparo ser mostrado mais adiante.

    Ento, aplicando uma corrente eltrica externa, ons positivos saem do eletrodo

    auxiliar (nodo) e caminham pela soluo em direo ao eletrodo de trabalho (ctodo)

    (figura 1.13). Sendo assim, ons positivos de nquel e ferro sero reduzidos no eletrodo de

    trabalho, isto para filmes de NiFe, sendo que os ons de ferro so provenientes da soluo

    eletroltica atravs de compostos dissolvidos, enquanto que os ons de nquel que alm de

    estarem presentes na soluo, foram obtidos pela oxidao sofrida no eletrodo auxiliar. J

    para filmes de NiFeCo, os ons de cobalto que sofreram oxidao no eletrodo auxiliar,

    posteriormente se reduziram no eletrodo de trabalho e os ons positivos de ferro e nquel

    dissolvidos em soluo sofreram reduo no eletrodo de trabalho.

  • 2.2 Materiais Para a montagem da clula eletroltica utilizamos:

    - Um bquer de 250 ml,

    - Eletrodo de trabalho (substrato) de cobre polido,

    - E