Departamento de Física

ID: 8978

Resumo

Óxidos semicondutores (MOXs) nanoestruturados têm atraído a atenção devido suas propriedades multifuncionais, sendo aplicados como sensores de gás, produção de energia, fotocatalisadores, etc. Dentre estes materiais, o dióxido deestanho (SnO2) possui estrutura cristalina do tipo rutilo, sendo um semicondutor do tipo-n com energia de gap (Eg) de aproximadamente 3,6 eV. Este composto tem sido extensivamente estudo como camada sensora em dispositivos sensores, fotocatalisador heterogêneo, varistor, entre outros. De acordo com a literatura, a aplicação dos MOXs como fotocatalisadores tem apresentado potencial desempenho, em especial na degradação de corantes orgânicos, fármacos epesticidas. Apesar dos resultados promissores, um dos principais desafios nesta área consiste na fotoativação dos catalisadores com luz visível. Dentre as diversas estratégias investigadas, a introdução de determinadas impurezas, visando reduzir o gap de energia (Eg) do SnO2 , tem se mostrado eficiente. Dentre estas impurezas, a adição de íons de Fe à rede do SnO2 pode introduzir níveis intermediários os quais favorecem a redução da energia Eg , e consequentemente viabilizando a ativação do catalisadorpor fótons com de menores energias (região do visível). Com base nestesargumentos, neste projeto de iniciação científica foi realizada a síntese,caracterização estrutural e morfológica de nanoestruturadas de Sn1-xFexO2 (0 ≤ x ≤75% mol de Fe) pelo método da hidrólise visando a aplicação das amostras como fotocatalisadores. Medidas de difração de raios-X revelaram a formação da solução sólida Sn1-xFexO2 sem a presença de fase secundária até uma concentração de x=50%. Além disso, medidas de espectroscopia de absorção de raios-X indicaram que os íons de Fe exibem estado de oxidação 3+. Espectros de UV-vis mostraram que a introdução dos íons de Fe implicou na diminuição significativa da energia Eg (3,3 eV para 1,9 eV). No que tange as análises morfológicas, as imagens de microscopia eletrônica de transmissão (MET) foi possível verificar o caráter nanométrico das amostras, as quais apresentaram um tamanho de partícula entre 24 e 9 nm. Experimentos preliminares de fotocatálise revelaram que as amostras da solução sólida Sn1-xFexO2 foram fotoativas na degradação dos corantes azul de metileno e rodamina B.

Apresentação

ID: 8848

Resumo

Introdução

O estudo e desenvolvimento de dispositivos semicondutores baseados em óxidos metálicos como o SnO₂, têm-se mostrado altamente promissor na obtenção de novas tecnologias. Tais materiais se apresentam como excelentes candidatos à construção de diversos dispositivos eletrônicos, onde dentre estes se encontram sensores de luz numa faixa que se estende do visível até o ultravioleta [1,2].

Objetivo

O objetivo geral do trabalho de pesquisa aqui apresentado foi a elaboração (proposição, construção e teste) de um sensor de luz baseado em um dispositivo baseado em uma rede de nanofios semicondutores de dióxido de estanho. Todo o projeto foi desenvolvido paralelamente ao estudo dirigido de conceitos necessários para compreensão e construção do sensor, tais como técnicas de crescimento de amostras, física dos semicondutores, mecanismos de transporte e entre outros [3,4,1].

Metodologia

Para o crescimento dos nanofios foi empregado o método de deposição de vapor por meio do mecanismo VLS (vapor-líquido-sólido), onde devido a ser um processo de crescimento auto-organizado e indireto, o acesso à rede só ocorria ao final da síntese.  Foi incluída nesta fase uma investigação sobre a influência da quantidade de material precursor (no caso, Sn) usado para a síntese das amostras [1].

Após o processo de síntese, a próxima etapa incluiu a fabricação e caracterização optoeletrônica do dispositivo, com a análise de características como resistência e fotocorrente (resposta à iluminação controlada)[5].

Resultados

Evaporados os contatos metálicos sobre a rede, foi realizada em um primeiro momento a verificação do comportamento semicondutor por meio de análise da curva de resistência x temperatura. Verificado que a rede de fato apresentava comportamento semicondutor, a etapa seguinte incluiu medidas em ambiente controlado (criostato), onde pressão, temperatura e atmosfera química eram conhecidas e controladas. A partir dos dados coletados em medidas de pulsos de luz, foram analisadas propriedades como o tempo de resposta do sensor construído e os níveis de energia dentro do gap do material, visto que tais níveis ocorrem devido principalmente à presença de vacâncias de oxigênio no SnO_2..

Comprovado que o dispositivo apresentou sensibilidade e seletividade para diferentes comprimentos de onda, a etapa posterior foi a análise da corrente (caracterização I x V) em ambiente aberto, onde não mais havia controle sobre as variáveis anteriormente citadas. Apesar da fotocorrente ser menor neste ambiente devido a presença do oxigênio, a rede de nanofios apresentou o comportamento esperado e desejado para o sensor [6].

Conclusão

Sendo assim, o dispositivo de nanofios de dióxido de estanho apresentou propriedades apropriadas para os objetivos iniciais desta pesquisa, qual seja, uma rede de nanofios apresenta características fotocondutoras e pode ser usada como um sensor com base em seu comportamento. Alguns aspectos que fundamentam esta conclusão é a fotosensibilidade do dispositivo, a seletividade (respostas distintas e proporcionais à energia associada a cada comprimento de onda da luz incidente) e a conservação de um comportamento quantificável e coerente com a teoria mesmo em ambiente aberto.

Apresentação

ID: 9278

Resumo

1. INTRODUÇÃO

A supercondutividade é um fenômeno caracterizado por duas respostas físicas distintas que ocorrem abaixo da temperatura crítica supercondutora (T_C): a condutividade perfeita e o diamagnetismo perfeito. Os supercondutores se classificam em materiais do tipo I e do tipo II. Os do segundo tipo, além de apresentarem o diamagnetismo perfeito, também apresentam uma fase mista, em que campo magnético penetra na amostra na forma de vórtices, até ir para o estado normal acima de um campo crítico [1].

Dentre várias geometrias, os filmes finos supercondutores têm ganhado papel de destaque devido a possibilidade de miniaturização de dispositivos eletrônicos. Entretanto, a penetração de fluxo magnético pode ocorrer de forma abrupta, i.e., as avalanches de fluxo, que são indesejadas para aplicações [2]. Neste trabalho, as propriedades magnéticas e estruturais de um filme fino de estanho foram estudadas.

2. OBJETIVO

O objetivo inicial deste trabalho era preparar filmes finos de Sn sobre substratos de silício com diferentes espessuras usando a técnica de evaporação térmica convencional. Esses filmes finos seriam investigados por meio de medidas magnéticas, estruturais e microestruturais.

3. METODOLOGIA

Antes da deposição, as superfícies do Si e do Sn foram limpas pelo processo de decapagem química. Para o estanho, utilizou-se solução de HF+H₂O na razão volumétrica (1:1) e para o silício, H₂SO₄+H₂O₂ (3:1). Após a limpeza, o substrato de Si foi colocado em uma evaporadora térmica convencional para a deposição do filme de Sn, devidamente colocado em um cadinho de tungstênio aquecido por Efeito Joule [3].

Para a caracterização das propriedades magnéticas dos filmes utilizou-se um magnetômetro MPMS-5S equipado com um sensor SQUID, no qual foram obtidas as respostas de magnetização DC e susceptibilidade AC do espécime. Já para a caracterização estrutural, análises da uniformidade e da fase cristalina do filme foram realizadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Difração de raios-X (DRX), respectivamente.

4. RESULTADOS

Inicialmente foi produzido um conjunto de filmes finos com uma espessura de 50 nm de Sn depositado sob substratos de Si. Com uso do magnetômetro, foi possível construir curvas de magnetização vs. campo e susceptibilidade AC vs. temperatura, as quais permitiram identificar a T_C de 3,9 K, o tipo de supercondutividade apresentada pelo filme (tipo II) e também assinaturas características atribuídas às avalanches de fluxo.

A análise por imagens de MEV mostrou uma boa uniformidade do filme depositado, enquanto as análises de DRX mostrou a presença da fase beta do Sn. Alterando a posição do substrato em relação ao feixe incidente de raio-X, i.e, girando o filme, buscou-se identificar uma direção preferencial de crescimento, entretanto, os resultados permitiram concluir que não houve tal crescimento.

5. CONCLUSÕES

Um conjunto de filmes de Sn de 50 nm foi produzido e as propriedades magnéticas básicas de um supercondutor do tipo II foi identificado. Além disso, as propriedades estruturais e microestruturais foram investigadas. Entretanto, devido às limitações impostas pela pandemia de COVID-19 não foi possível produzir outros conjuntos de filmes com diferentes espessuras, como previsto inicialmente.

Apresentação

ID: 9293

Resumo

Introdução:

O fenômeno da supercondutividade é uma transição de fase que certos materiais sofrem quando são esfriados abaixo de temperaturas dita crítica (T_C). No estado supercondutor, materiais ideias apresentam dois comportamentos característicos: resistividade nula para correntes com intensidade menor que um valor crítico e diamagnetismo perfeito para campos menos intensos que um crítico [1].

Dentre várias geometrias, os filmes finos supercondutores possibilitam a miniaturização de dispositivos. Entretanto, os efeitos de desmagnetização intensificam alguns comportamentos nesses materiais. Um deles é a ocorrência das avalanches de fluxo, isto é, penetração abrupta e localizada de fluxo magnético. Todavia, essas avalanches são indesejadas e, portanto, conhecer as condições em que ocorrem é de vital importância para aplicações desses materiais bidimensionais.

Objetivo:

É conveniente o uso de chumbo para fabricação de filmes finos, pois sua baixa temperatura de fusão permite o uso da evaporação térmica convencional e sua T_C relativamente alta (7,2 K). No entanto, o chumbo é vulnerável à oxidação. O estanho, mais resistente à oxidação, também tem uma temperatura de fusão adequada para a técnica de deposição, mas sua  é sensivelmente menor (3,7 K).

Assim, o objetivo inicial do trabalho foi depositar e caracterizar filmes da liga Pb-Sn, visando a obtenção de espécimes resistentes à oxidação com temperaturas críticas mais próximas do chumbo e passíveis de uso no estudo das avalanches de fluxo [2].

Metodologia:

A técnica utilizada para depositar os filmes finos foi a evaporação térmica convencional. Nesta técnica, um ou mais cadinhos contendo os metais a serem depositados são posicionados no interior de uma câmara evacuada. Os cadinhos são aquecidos via efeito Joule para que os metais evaporem e se solidifiquem em um substrato. Além de (i) uma deposição de apenas chumbo, duas outras ocorreram com dois cadinhos, um com cada metal: (ii) bicamada: Deposição de estanho após a de chumbo; (iii) codeposição: Cadinhos aquecidos simultaneamente, os dois metais são codepositados.

Para caracterizar magneticamente os filmes, todos eles com uma espessura nominal de 50 nm, foi utilizado um magnetômetro equipado com um sensor SQUID, que permitiu a realização de medidas de susceptibilidade AC e de magnetização versus campo DC. Também foi utilizada microscopia eletrônica de varredura (MEV) para caracterizar a amostra codepositada.

Resultados:

Foi possível verificar que filmes de uma liga de chumbo são passíveis de uso para o estudo de avalanches de fluxo, algo que pode ser verificado pela assinatura que este fenômeno possui em curvas de magnetização por campo magnético DC aplicado [2]. Também foi possível obter no diagrama de campo-temperatura a região em que ocorrem as avalanches em cada uma das amostras, além de obter suas temperaturas críticas. A micrografia eletrônica revelou que a amostra codepositada consiste em uma alternância aparentemente não periódica entre fases ricas em Pb e fases ricas em Sn, microestrutura bem conhecida para o caso volumétrico (ou bulk) [3].

Conclusões:

Todas as amostras apresentaram supercondutividade e no caso do filme codepositado, as avalanches se mostraram menos dramáticas, indicando que o estanho suprimiu parcialmente a ocorrência desses fenômenos abruptos, algo desejável para possíveis aplicações.

Apresentação

ID: 9330

Resumo

Neste trabalho de iniciação científica, investigamos a fotocondução do óxido de zinco (ZnO), que possui diversas propriedades interessantes com destaque para: seu gap óptico largo. em torno de 3,4 eV; boa transparência no visível; e diversas possibilidades de sintetização aliada à abundância de zinco na natureza, o que minimiza o custo relativo de produção de dispositivos baseados em filmes de ZnO. Além disso, durante sua síntese ocorrem a formação de defeitos na estrutura da amostra, que podem alterar significativamente as propriedades físicas do material. Devido a essa forte relação entre condições de crescimento e as propriedades da amostra, o estudo e consequentemente aprimoramento de técnicas envolvendo o ZnO tem um viés tecnológico imenso.

Para esse estudo, focamos no fenômeno da fotocondução que nada mais é do que o aumento na condutividade de um material após a incidência de luz com determinado comprimento de onda. Assim que excitados, os elétrons da banda de valência podem ser promovidos para a banda de condução, interagindo com níveis de defeitos fazendo com que os tempos de resposta à luz e de recuperação no escuro sejam afetados. A caracterização da amostra em termos desses tempos a partir desse estudo permite a classificação do material para aplicações rápidas como sensores de luz, ou lentas, como de atmosfera.

As amostras na forma de filmes finos foram sintetizadas através de Spray-Pirólise sob substratos de vidro.  Posteriormente, uma amostra foi tratada termicamente sob atmosfera controlada de Nitrogênio e a outra sob atmosfera controlada de Oxigênio, com o objetivo de investigarmos a influência do tratamento térmico em suas propriedades elétricas assim como na fotocondução.

Verificou-se o comportamento convencional de fotocondução nas duas amostras, porém os tempos de resposta/recuperação, assim como a intensidade de corrente observada na amostra tratada em oxigênio são maiores quando comparados aos obtidos na amostra tratada com nitrogênio.  Além disso, o tempo de saturação da corrente na amostra tratada em O₂ é muito maior do que em N₂, indicando que devido a interações com níveis de defeitos os elétrons possuem um maior tempo de vida, demorando mais para recombinar-se. Isso ocorre devido à adsorção de O₂, que contribui para o aprisionamento de elétrons livres, e à criação de níveis intermediários no bandgap, aumentando assim a resistividade. Estes resultados evidenciam que alguns níveis de defeitos atuam como armadilhas para elétrons e podem ser modificados através de tratamentos térmicos sob atmosfera controlada.

Abordamos também os processos de fotocondutividade de filmes finos de ZnO de forma semi-quantitativa, utilizando para isso um modelo matemático e técnicas de programação. Este estudo colaborou para o enriquecimento da compreensão a respeito do mecanismo de fotocondução de filmes finos desse óxido. Essa análise foi feita através de um sistema de equações de taxa para os fotoportadores, levando em conta parâmetros probabilísticos de captura e recombinação. Concluímos que, dependendo da relação entre esses parâmetros, o sistema pode se comportar de maneiras diferentes quanto a sua condutividade. Como tais parâmetros estão intimamente ligados à estequiometria da amostra, podemos utilizar esse estudo para aprimorar nossos métodos de síntese de acordo com a aplicação desejada.

Apresentação

ID: 9455

Resumo

Introdução: Esse projeto é uma continuação da pesquisa realizada pela mesma equipe no ciclo 018. Na primeira etapa, foram produzidos filmes finos de grafite por meio da técnica de deposição por laser pulsado, seguido das análises apropriadas. Agora, esses filmes seriam submetidos a um tratamento químico para que o carbono da sua composição passe a ter uma resposta ferromagnética. Essa técnica é patente da Ufscar, sendo aplicada e analisada pela primeira vez na forma de filmes finos, já que foi criada originalmente para amostras em pó.

Objetivo: O objetivo principal do projeto é aplicar uma rota química em filmes finos de grafite, de forma que o carbono passe a ter uma resposta magnética, da mesma forma que ocorre em amostras em pó. Em segundo ponto, é crucial realizar uma análise detalhada desses filmes, para descobrir todas as alterações físicas, químicas e estruturais que ocorreram em decorrência do processo aplicado.

Metodologia: As amostras utilizadas foram produzidas em projeto anterior a esse, de forma que não precisam ser refeitas. O processo de ataque químico responsável pela resposta magnética do carbono, é feito de acordo com a técnica desenvolvida na Ufscar em parceria com a Universidade da República do Uruguai. Nesse, são causados defeitos estruturais controlados na estrutura do carbono, por meio de uma reação redox controlada em fase vapor, de forma que sejam criadas respostas magnéticas. Por fim, devem ser feitas análises de difração de raio-x, MEV, AFM, e medidas de magnetização para determinar todas as características conferidas pelo processo, sendo possível comparar com os dados da pesquisa anterior.

Resultados: Eventos inesperados relacionados à pandemia do COVID19 impediram que esse projeto fosse concluído, entretanto sabemos quais resultados eram esperados. Buscava-se que a curva de magnetização fosse tão clara quanto a encontrada em amostras de carbono ferromagnético em pó, sendo uma inovação. Além disso, eram esperadas alterações nos resultados químicos e morfológicos das amostras, como consequência do ataque químico realizado. Era espero ainda, algumas discussões sobre como a aplicação do carbono magnético em filme pode ser diferente daquelas para a forma em pó.

Conclusão: Esse projeto, embora tenha sido interrompido de forma irreparável, apresenta um grande potencial de inovação. Isso por aliar duas técnicas avançadas de desenvolvimento de materiais, a deposição por laser pulsado e a obtenção de carbono ferromagnético com uso de rota química. Vale ressaltar as diversas aplicações desses materiais, que vão desde sensores e atuadores até aplicações em biomedicina. Em especial no ramo de transporte de fármacos, uma vez que o carbono é um material bio compatível.Portanto, é possível concluir que o projeto ainda retém alto potencial e deve trazer resultados inovadores assim que retomado.

Apresentação

ID: 9516

Resumo

Observando o cenário socioambiental contemporâneo, percebe-se que os Processos Oxidativos Avançados (POAs) vêm sendo amplamente estudados e aplicados para o tratamento de efluentes industriais, principalmente na degradação de corantes. Entre os diversos processos remediativos desenvolvidos, a fotocatálise heterogênea utilizando nanoestruturas compreende algumas vantagens quando comparada aos demais. Assim, este trabalho  teve como objetivo a síntese e caracterização de nanoestruturas  de WO₃ e g-C₃N_4, e o estudo da potencialidade de aplicação em fotocatálise heterogênea. Inicialmente, foram realizadas sínteses de g‑C₃N₄ pela calcinação de C₃H₆N₆, e WO₃ pela rota hidrotérmica, sendo essa retratada de maneira promissora pela literatura, pois mostra-se eficaz na obtenção de óxidos nanoestruturados de uma forma simples e mantém um maior controle sobre a fase e morfologia do material. Os parâmetros de temperatura e tempo de tratamento correspondentes a rota hidrotérmica foram variados a fim de verificar possíveis mudanças morfológicas e estruturais nas amostras de WO₃, porém a cristalização ocorreu apenas em amostras que foram submetidas a 200 °C. Em relação ao tempo de tratamento, realizaram-se quatro sínteses em condições diferentes: 4h, 12h, 24h e 48h, todas submetidas a uma temperatura de 200 °C. Medidas de DRX realizadas na amostra sintetizada por calcinação de C₃H₆N₆ mostraram a obtenção da fase cristalina g‑C₃N₄, a mesma reportada pela literatura. Em relação as amostras de WO₃, observou-se duas fases distintas: trióxido de tungstênio hidratado (WO₃∙(H₂O)_0,33) no sistema ortorrômbico e trióxido de tungstênio (WO₃) no sistema tetragonal. Assim, foi verificado que essas fases distintas foram obtidas por meio dos diferentes tempos de tratamento, visto que a amostra tratada em 4h apresentou apenas a fase  WO₃∙(H₂O)_0,33 e, conforme o tempo foi aumentado para 12h e 24h, houve o surgimento de uma nova fase, o WO₃. Ademais, por meio dos difratogramas calculou-se o tamanho de cristalito para os planos (220), (002) e (111) e, respectivamente, para a amostra tratada em 4h os valores foram 45,3 nm, 43,3 nm, e 47,9 nm; para 12h calculou-se 43,6 nm, 42,0 nm  e 46,7 nm; já para 24h calculou-se 43,2 nm, 41,8 nm e 44,2 nm. Assim, nota-se certa independência dos valores em função do tempo de tratamento. O valor da energia de band gap da amostra g-C₃N₄ foi de 3,0 eV, o que mostra uma pequena variação em relação a literatura. Por outro lado, todas amostras de WO₃ apresentaram E_g = 3,5 eV, mostrando novamente uma independência ao tempo de tratamento utilizado e uma pequena variação em relação a literatura. Desta forma, conclui-se que as rotas utilizadas foram eficientes na obtenção dos materiais desejados, onde diferentes tempos de tratamento usados nas sínteses de WO₃ resultaram em diferentes fases cristalinas. Adicionalmente, de acordo com a literatura e o resultados obtidos neste trabalho, observou-se que os materiais obtidos possuem propriedades promissoras para serem aplicados na fotodegradação de contaminantes orgânicos.

Apresentação