Estudo computacional do crescimento de filmes de monocamadas de nanopartículas em substratos funcionalizados

Abstract

O presente trabalho representa o culminar duma investigação sobre o crescimento de filmes pela adsorção irreversível de nanopartículas. O problema é abordado numa perspectiva mais fundamental, onde apenas são considerados detalhes geométricos (dimensões das partículas e dos padrões de adsorção nos substratos). Estudámos a sua influência na morfologia e na cinética da formação dos depósitos. Recorremos às simulações computacionais pelo método de Monte Carlo para descrever a formação dos materiais.

Estudou-se o processo de crescimento de filmes em condições de não equilíbrio, onde a absorção das partículas sobre o substrato é irreversível. Este tipo de absorção é uma correcta descrição de sistemas onde a difusão e a des adsorção das partículas não ocorrem na escala temporal da experimentacão. O processo é simulado pelo modelo de adsorção sequencial aleatória. Nele, as partículas assumem a forma de discos e a interacção entre as partículas é limitada ao seu volume. Consideraram-se apenas depósitos em monocamada.

Um dos factores analisados foi a distribuição de tamanhos das partículas. Estas foram caracterizadas por uma distribuição Gaussiana truncada, com dispersões até 20%. Outro factor foi a funcionalização dos substratos através da presença de zonas selectivas de adsorção das partículas.

Investigou-se separadamente a formação destes depósitos em substratos regulares e em substratos pré-padronizados (funcionalizados). No que diz respeito à adsorção em substratos regulares, estudou-se a influência da dispersão de tamanhos das partículas na morfologia final dos filmes e também na cinética da sua formação. Para descrever a estrutura dos depósitos, estimaram-se propriedades como a cobertura limite, as dimensões das partículas adsorvidas e as distâncias entre as partículas depositadas. Para a descrição da cinética, analisou-se a aproximação da cobertura ao seu valor limite. Foi possível identificar uma transição entre dois regimes cinéticos, mesmo para valores pequenos da dispersão dos tamanhos das partículas, e constatar que esta tem uma dependência funcional com a dispersão em lei de potência.

No que respeita à formação de filmes em monocamada em substratos funcionalizados, considerou-se a influência de limitar a adsorção das partículas a zonas bem definidas (células) e distribuídas de forma regular no substrato. Por simplicidade, considerou-se um padrão de células quadradas de iguais dimensões, distribuídas uniformemente numa geometria de rede quadrada. Dois parâmetros caracterizam estes padrões: a dimensão das células e a distância entre estas. Apresentaram-se resultados da morfologia dos depósitos formados em substratos cuja separação entre as células não permite interacção com partículas adsorvidas em células vizinhas. Deste modo, a interacção entre as partículas é limitada `as que adsorvem na mesma célula. A presença de um padrão permite uma selectividade de tamanhos das partículas adsorvidas diferente da obtida em substratos regulares. O efeito conjugado da dimensão das células e da dispersão dos tamanhos das partículas permite uma influência reguladora quanto ao número de partículas adsorvidas em cada uma dessas zonas. Pela acção dos mesmos factores, novas estruturas surgem nos materiais assim construídos.

The present work is the result of the investigation on film growth through the ir- reversible adsorption of nanoparticles. The problem is approached from a fundamental perspective where only geometrical features are considered (particles size and adsorption patterns on the substrates). We studied their influence on the morphology and on the formation kinetics of the deposits. To give a more realistic description of the growth of such films, we resort to kinetic Monte Carlo simulations. We study the film growth under non-equilibrium conditions, where adsorption of par- ticles on the substrate is irreversible. This type of adsorption is a correct description of systems where the diffusion and desorption processes does not occur within the ex- perimental timescale. The process is modeled using the random sequential adsorption model. In the present model, particles consist of discs and the interaction is limited to their excluded volume. Only monolayer deposits are considered. One of the factors to be considered regards the particles size distribution of adsorbing particles. We assumed a truncated Gaussian distribution with dispersions up to 20%. The other factor was the functionalization of the substrate through the presence of selective adsorption areas. We studied the formation of deposits on regular and on pre-patterned substrate (func- tionalized) separately. With respect to adsorption on regular substrates we studied the influence of the size dispersion in the morphology of the films and the kinetics of their for- mation. To describe the structure of deposits we estimate some properties as the jamming coverage, the particle size and the distance between adsorbed particles. For a description of the kinetics, we analyze the approach of the coverage to its jamming value. It was possible to identify a transition between two kinetic regimes, even for small values of the size dispersion, and that this transition varies with the value of the dispersion of particles sizes. Regarding the formation of monolayer films on functionalized substrates, we considered the effect of limiting particle adsorption to well defined and regularly distributed areas on the substrate (cells). For simplicity, we considered a pattern of equal size square cells in a square lattice array. Two parameters characterize these patterns, the size of the cells and the distance between them. We present results of film morphology formed in substrates that are characterized by cell-cell separation that limit particle interaction to the ones previously adsorbed in the same cell. The pattern allows different size selection from that given by a regular substrat. The combined effect of cell size and size dispersion allows control of the number of particles adsorbed in each of these adsorbing areas. By the action of these factors, new interesting structures arise in the materials.