Superfícies de diamante com condutividade elétrica e ativas termicamente, para monitorização de reações bioquímicas

Abstract

O diamante CVD (Chemical Vapor Deposition) é relativamente simples de sintetizar através da técnica de HFCVD (Hot Filament CVD) e nas últimas décadas tem vindo a despertar curiosidade devido ao seu conjunto de propriedades elétricas, óticas e térmicas notáveis. A partir da adição do elemento dopante boro, é possível alterar as propriedades elétricas dos filmes tais que o diamante sendo isolador elétrico (não dopado) passe a tornar-se um semicondutor ou até condutor dependente da intensidade da dopagem. Diamante CVD dopado com boro passa a ter um comportamento termoelétrico idêntico ao de um NTC (negative temperature coefficient); podendo assim torna-se um sensor de temperatura com excelente precisão e grandes potencialidades no que toca à monitorização de temperatura em tecidos vivos ou em reações bioquímicas na qual ocorrem pequenas variações de temperatura. Este estudo proporcionou uma avaliação do efeito de diferentes combinações de parâmetros da técnica HFCVD nas propriedades finais dos filmes de diamante. Os parâmetros analisados foram o rácio CH₄/H₂, o fluxo de árgon, o fluxo de boro, a pressão na câmara de deposição e a temperatura do substrato. Avaliou-se o seu feito combinado na morfologia e espessura do filme recorrendo à microscopia eletrónica de varrimento. Notou-se que um aumento do rácio de CH₄/H₂ teve o maior impacto no tamanho de grão, diminuindo com o aumento do rácio. A espessura não apresentou uma correlação clara com as condições de deposição. A perfilometria 3D revelou que a rugosidade diminui com um aumento do fluxo de metano. A análise de Raman permitiu identificar a presença do diamante CVD e a evolução da qualidade dos filmes com o aumento do rácio de CH₄/H₂. Com o aumento do fluxo de metano promove-se a formação de fases grafíticas no filme relativamente às amostras obtidas com menores fluxos. Na caracterização elétrica, determinaram-se as curvas R(T) de todas as amostras, o valor do β e do TCR e a resistência elétrica de superfície à temperatura ambiente. Obtiveram-se filmes de diamante com sensibilidades térmicas com valores de TCR de até -1,2 %/°C. Com este trabalho foi possível otimizar os parâmetros de deposição da técnica HFCVD de modo a conseguir-se termístores com elevada sensibilidade térmica.

CVD (Chemical Vapor Deposition) diamond is relatively easy to synthetize using the HFCVD (Hot Filament CVD) technique and in the last decades has been attracting curiosity due to its remarkable electrical, optical and thermal properties. By adding boron as a dopant element, it’s possible to change the electrical properties of the diamond films, so that it goes from an electric isolator, to a semiconductor and even a conductor, dependent upon the magnitude of doping. Boron-doped CVD diamond possesses a thermoeletrical behavior similar to that of a NTC (negative temperature coefficient); behaving as a temperature sensor with excellent precision and great potential when it comes to temperature sensing in living tissues and in biochemical reactions, characterized by very small temperature changes. The current study provides an evaluation of the effect of different combinations of HFCVD parameters on the final properties of the films. The aforementioned parameters are the ratio CH₄/H₂, the argon flux, the boron flux, the pressure on the deposition chamber and the substrate temperature. Their combined effects were evaluated in regards to film morphology and thickness using SEM. It was noted that an increase in the ratio CH₄/H₂ had the greatest impact when it comes to grain size, with an increase in the ratio leading to a decrease of the grain size. The thickness presented an unclear correlation with the deposition conditions. 3D Perfilometry revealed surface roughness decreases with increasingly larger methane fluxes. Raman analysis allowed to identify the presence of CVD diamond and the evolution of the film quality with increasingly bigger ratios of CH₄/H₂. Larger methane fluxes promote the formation of graphitic phases which will lead to a decreased film quality compared to samples made using smaller methane fluxes. Regarding the electrical characterization, the R(T) curve, β parameter and TCR were obtained; including the electrical resistance of all samples at ambient temperature. The boron-doped diamond films possessed a maximum TCR value of -1,2 %/C. With this work it was possible to optimize the HFCVD deposition parameters to obtain thermistors with high thermic sensibility.