Otimização de filmes finos nanocompósitos de TiNAgx para aplicação em bioelétrodos

Abstract

Este projeto tem como principal objetivo a produção de elétrodos com base polimérica para aplicação em eletroencefalografia. Em primeiro lugar, foram depositados revestimentos de TiNAg com recurso à técnica de PVD com uma gama de teores de Ag a variar entre 0 e ~50 at. %. O comportamento dos filmes relevou uma divisão em três zonas claras, definidas pela quantidade de Ag incorporada na matriz de TiN. Com o aumento do teor de Ag, os revestimentos evoluíram de um composto com caráter típico de TiN para um caráter metálico. Os valores da resistividade sofreram uma forte redução. Numa segunda fase, os filmes finos de TiNx estequiométricos dopado com Ag depositados foram submetidos a um conjunto de recozimento a diferentes temperaturas com o objetivo de estudar a estabilidade térmica das características morfológicas e estruturais e da consequente influência nas propriedades elétricas e mecânicas. O aumento da temperatura dos tratamentos térmicos aplicados revelou modificações morfológicas significativas essencialmente no que toca aos revestimentos com teores de Ag superiores a 36,3 at. %, onde foi observada uma extensa segregação de átomos de Ag para a superfície. Relativamente aos valores de resistividade e módulo de elasticidade, foi constatada uma acentuada diminuição com a aplicação do tratamento térmico a 200ºC, permanecendo a partir deste ponto, praticamente constante. Na terceira etapa do projeto, foram depositados revestimentos de TiNx subestequiométricos dopados com Ag, com o intuito de evitar a segregação de Ag verificada à priori. Verificaram-se alterações morfológicas e estruturais, nomeadamente no que toca à desagregação das estruturas colunares compactas de TiN e ao fenómeno de segregação de Ag, que foram evitadas com sucesso. Relativamente à resistividade e ao módulo de elasticidade, verificou-se que as amostras sub-estequiométricas possuíam alterações praticamente indiferentes. Após a otimização do revestimento, pretendeu-se otimizar a relação do revestimento com o substrato polimérico: primeiro, com recurso à deposição de um filme fino de Ti num substrato polimérico com variações da corrente aplicada no alvo, onde se considerou o revestimento com uma corrente de 1,5A aplicada ao alvo, como o que possuía uma relação adesão/propriedades mais aceitável; em segundo lugar, testou-se a capacidade máxima de deformação a partir do qual o revestimento de TiNAg otimizado e depositado sobre um substrato de TPU alterava a sua capacidade de condução elétrica, tendo-se verificado que o aumento de Ag promovia um aumento da deformação crítica. Por fim, e como última etapa, utilizou-se o sistema otimizado para analisar a sua viabilidade na aquisição de sinal bioelétrico (EEG). Verificou-se sistema otimizado possui uma qualidade de sinal semelhante à do elétrodo comercial.

The main goal of this project is the production of polymer-based electrodes for application in electroencephalography. Firstly, silver-added titanium nitride (TiNAg) thin films were deposited by DC reactive magnetron sputtering with Ag contents ranging from 0 to ~50 at.%. The sputtered films’ behaviour can be consistently divided into three clear zones, defined mainly by the amount of Ag incorporated. With increasing Ag concentration, the coatings evolve from a nitride/compound-like behaviour to a metallic-like one. Resistivity values suffer a strong decrease. In a second phase, co-deposited TiNAg thin films were subjected to a set of annealing treatments at different temperatures, aiming at studying the effects on their morphological and structural features and its influence on the electrical and mechanical properties. The increase of the annealing temperature revealed that significant morphological modifications were induced, mainly in the sample with a Ag content of 36.3 at. %, which revealed extensive Ag segregation to the surface. Resistivity and reduced modulus values suffer a steep decrease with an annealing treatment at 200 ºC, becoming almost constant afterwards. In the third stage of the project TiNAg sub-stoichiometric coatings were deposited in order to optimize the N/Ti ratio, to avoid the Ag segregation verified in the second part of the project. There were morphological and structural modifications in sub-stoichiometric coatings, particularly regarding the disaggregation of the TiN compact columnar structures and the phenomenon of Ag segregation, which were successfully avoided. Regarding the electrical resistivity and the elastic modulus, it was found that the substoichiometric samples had small modifications. After optimization of the TiNAg coating, the polymer deposition was also studied. In a first step, a Ti thin film was deposited onto a polymeric substrate with variations of the current applied to the target with the aim of analysing the combination of the coating adhesion to the substrate with the maintenance of the coating's electrical conduction capacity during a dynamic strain test. It was considered the coating with a current of 1.5A applied to the target as the one that possessed a more acceptable adhesion / properties relationship. In a second step, we tested the maximum strain from which the coating TiNAg optimized and deposited on a TPU substrate alters its electrical conduction ability. It was found that the increase of Ag content promotes the critical deformation. Finally, the TiNAg optimized coating was deposited on a TPU substrate in order to analyse the viability of the produced electrode for the envisaged application (acquisition of the EEG bioelectrical signal). It was found that the optimized coating deposited on the TPU substrate has a similar signal quality to that of the commercial electrode.