Estudo das propriedades estruturais, morfológicas e ópticas de filmes de TiO2 eletrossintetizados catodicamente em função dos parâmetros de síntese

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas. Programa de Pós-Graduação em FísicaFilmes finos de TiO2, um óxido semicondutor, são largamente utilizados em diversos tipos de dispositivos, principalmente devido à fotoatividade que o material apresenta. A eficiência destes dispositivos está fortemente relacionada às propriedades estruturais e optoeletrônicas do TiO2. Dentre os métodos de preparação de filmes finos de TiO2, a eletrossíntese catódica é um método eficiente e de custo reduzido, cujo produto, um gel amorfo de oxi-hidróxido de titânio, é transformado em TiO2 cristalino por tratamento térmico. No presente trabalho, estudou-se a modificação das propriedades estruturais, morfológicas e ópticas de filmes de TiO2 eletrossintetizados sobre ITO, produzidos a partir de diferentes temperaturas do banho eletrolítico e potenciais de eletrossíntese, bem como diferentes temperaturas de tratamento térmico. Estudos de micro-espectroscopia Raman e difração de raios-x revelaram que os filmes apresentam alta cristalinidade, com a coexistência das fases cristalinas anatase e bruquita, sendo que anatase é sempre predominante e que a presença de bruquita é máxima para os filmes eletrossintetizados em potenciais de maior módulo e aquecidos à temperatura mais baixa. O tamanho dos cristalitos, estimado em 40-50 nm, é afetado pelo aumento do módulo do potencial de eletrossíntese. A análise de imagens de MEV revelou que a morfologia dos filmes é fortemente influenciada pelo potencial de eletrossíntese. Os filmes tornam-se mais porosos e homogêneos à medida que o módulo do potencial de eletrossíntese aumenta; enquanto que a transmitância óptica dos filmes, de menos de 30% em todos os casos, é prejudicada. A estimativa óptica da energia do gap do TiO2 eletrossintetizado sugere que seu valor tende a diminuir para potenciais de maior módulo e temperaturas de tratamento térmico mais altas. A escolha dos parâmetros de síntese de filmes finos de TiO2 eletrossintetizados permite, portanto, o controle sobre as propriedades estruturais, morfológicas e ópticas do material, possibilitando a produção de filmes com as propriedades mais adequadas a cada tipo de aplicação.Titanium dioxide thin films are largerly used on various types of devices, due to its semiconductor and photoactivity properties. The efficiency of such devices is closely related to the structural and optoelectronical properties of TiO2, which are strongly dependent on the synthesis method used. Among many synthesis methods, cathodic electrosynthesis is an efficient and cost-attractive alternative. It provides an amorphous titanium oxi-hidroxyde gel matrix which is converted into crystalline TiO2 by thermal annealing. In this work, we present how different conditions of electrosynthesis conditions, such as electrolytical bath temperature and applied potential, as well as the annealing temperatures, promote modifications on the structural, morfological and optical properties of cathodically electrosynthesized TiO2 thin films. Raman micro-spectroscopy and x-ray diffraction measurements showed that the films are highly crystalline and present both anatase and brookite phases, and that anatase is the prevailing phase for all synthesis conditions. The brookite phase presence is maximized in films electrosynthesized using less negative electrosynthesis potentials and low annealing temperatures. The estimated crystallite size, of about 40-50 nm, is affected by the electrosynthesis potential. SEM images revealed a strong dependence of the films morphology on the electrosynthesis potential. The films become more homogeneous and porous for the most negative potentials, whereas their optical transmittance (below 30% at all cases) is lowered. The estimated optical band gap energy value tends to decrease either for more negative electrosynthesis potentials or higher annealing temperatures. Therefore, we have showed that the structural, morphological and optical properties of cathodically electrosynthesized TiO2 thin films can be controlled by tuning its synthesis parameters, providing films with the best properties for each application