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Biblioteca Virtual de Teses e Dissertações

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Resumo Original (PT):

A PRESENTE PESQUISA TEVE COMO PRINCIPAL OBJETIVO A OBTENÇÃO DE ESTRUTURAS NANOMÉTRICAS DE ÓXIDO DE ÍNDIO, ÓXIDO DE ESTANHO E ÓXIDO DE ZINCO POR EVAPORAÇÃO TÉRMICA E SÍNTESE HIDROTÉRMICA E A CONSTRUÇÃO E TESTE DE SENSORES DE GASES E DE FOTODETECTORES DE ULTRAVIOLETA BASEADOS NESSAS NANOESTRUTURAS. FORAM REALIZADOS ESTUDOS DA INFLUÊNCIA DOS PARÂMETROS EXPERIMENTAIS DAS DUAS ROTAS DE SÍNTESE USADAS SOBRE AS MORFOLOGIAS E AS PROPRIEDADES DAS ESTRUTURAS. PARA A OBTENÇÃO DAS CAMADAS NANOESTRUTURADAS POR EVAPORAÇÃO TÉRMICA FOI ESPECIALMENTE CONSTRUÍDO UM FORNO TUBULAR QUE PERMITIU O CONTROLE DA TEMPERATURA DE DEPOSIÇÃO INDEPENDENTE DA TEMPERATURA DE EVAPORAÇÃO E DA DISTÂNCIA ENTRE A FONTE DE EVAPORAÇÃO E O SUBSTRATO. ESSES PARÂMETROS, POUCO EXPLORADOS NAS PESQUISAS REPORTADAS NA LITERATURA, EXERCERAM UMA GRANDE INFLUÊNCIA SOBRE A MORFOLOGIA E AS PROPRIEDADES DOS NANOFIOS OBTIDOS. O EQUIPAMENTO PERMITIU AINDA UM CONTROLE PRECISO DA COMPOSIÇÃO DA ATMOSFERA E DA PRESSÃO DE SÍNTESE. NA SÍNTESE QUÍMICA EM SOLUÇÃO, A CONSTRUÇÃO DE UM REATOR HIDROTÉRMICO PERMITIU O ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA TAXA DE RESFRIAMENTO SOBRE AS DIMENSÕES, CRISTALINIDADE, MORFOLOGIA E PROPRIEDADES DAS NANOESTRUTURAS. ESSE ESTUDO, O PRIMEIRO DO GÊNERO NA LITERATURA, RESSALTOU A IMPORTÂNCIA NO CONTROLE DESTE PARÂMETRO PARA SINTETIZAR ESTRUTURAS COM PROPRIEDADES MELHORADAS. AS DEMAIS VARIÁVEIS ESTUDADAS FORAM: A CONCENTRAÇÃO DAS SOLUÇÕES, AS CAMADAS CATALISADORAS, A TEMPERATURA E O TEMPO DE SÍNTESE. FORAM TESTADAS DUAS ESTRATÉGIAS PARA A OBTENÇÃO DOS FILMES NANOESTRUTURADOS: SPIN-COATING DE SUSPENSÕES DE NANOESTRUTURAS SOBRE SUBSTRATOS DE SILÍCIO OXIDADO OU O CRESCIMENTO DAS MESMAS, DURANTE A SÍNTESE, SOBRE SUBSTRATOS COM CAMADAS CATALISADORAS DE ZINCO. OS NANOFIOS E AS CAMADAS FUNCIONAIS FORAM CARACTERIZADOS POR DIFRAÇÃO DE RAIOS-X (DRX), MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA COM EMISSÃO DE CAMPO (MEVEC), MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO (MET) E ESPECTROSCOPIA DE FOTOELÉTRONS DE RAIOS-X (EFX). OS DISPOSITIVOS SENSORES DE GASES E OS FOTODETECTORES DE ULTRAVIOLETA FORAM CONSTRUÍDOS A PARTIR DAS NANOESTRUTURAS QUE APRESENTARAM AS MELHORES CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS E ESTRUTURAIS, SENDO AVALIADOS ATRAVÉS DE MEDIDAS ELÉTRICAS EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA DE TRABALHO, TEMPOS DE ENSAIO, GASES ALVO, INTENSIDADES DE LUZ E RADIAÇÕES DE DIFERENTES COMPRIMENTOS DE ONDA. PARA A AVALIAÇÃO ELÉTRICA DOS SENSORES DE GASES FOI ESPECIALMENTE CONSTRUÍDA UMA CÂMARA DE TESTE QUE PERMITIU O CONTROLE DA TEMPERATURA DE TRABALHO, DO FLUXO DE GÁS E DA COMPOSIÇÃO DA ATMOSFERA DE TESTE. OS DISPOSITIVOS FORAM AVALIADOS QUANTO À SUA SENSIBILIDADE, TEMPERATURA DE TRABALHO, TEMPO DE RESPOSTA E REPRODUTIBILIDADE. OS SENSORES DE GASES BASEADOS EM NANOFIOS DE ÓXIDOS DE ÍNDIO APRESENTARAM BOA PERFORMANCE PARA TEMPERATURAS DE TRABALHO ENTRE 220-300ºC, COM ALTA REPRODUTIBILIDADE PARA OS CICLOS DE GÁS ALVO EFETUADOS. OS TEMPOS DE RESPOSTA E RECUPERAÇÃO FORAM CURTOS, DE 1 E 3 MINUTOS, RESPECTIVAMENTE, PARA A TEMPERATURA DE TRABALHO DE 300ºC, COM A SENSIBILIDADE DOS DISPOSITIVOS VARIANDO DE 2,2 ATÉ 4 NA FAIXA DE TEMPERATURAS ENTRE 220 E 300ºC. NO CASO DOS SENSORES DE GASES BASEADOS EM NANOFITAS DE ÓXIDO DE ESTANHO, OS TEMPOS DE RESPOSTA E RECUPERAÇÃO FORAM DE 4 E 10 MINUTOS, RESPECTIVAMENTE, COM UMA SENSIBILIDADE DE 34 PARA A MAIOR TEMPERATURA USADA (300ºC). A PERFORMANCE DOS SENSORES BASEADOS EM NANOESTRUTURAS DE MISTURAS DE ÓXIDOS FOI BAIXA. TENDO EM CONTA QUE OS SENSORES NÃO RECUPERARAM A RESISTÊNCIA ORIGINAL PARA NENHUMA TEMPERATURA DE TESTE USADA, PARÂMETROS COMO TEMPO DE RESPOSTA E SENSIBILIDADE NÃO PUDERAM SER DETERMINADOS. MAIS AINDA, O AUMENTO DA RESISTÊNCIA COM O AUMENTO DA TEMPERATURA DE TRABALHO INDICOU UMA MODIFICAÇÃO DA SUPERFÍCIE DOS DISPOSITIVOS DURANTE OS TESTES. PARÂMETROS COMO SENSIBILIDADE, REPRODUTIBILIDADE, SELETIVIDADE E TEMPO DE RESPOSTA DOS SENSORES DE ULTRAVIOLETA BASEADOS EM NANOBASTÕES DE ZNO FORAM TESTADOS USANDO DIFERENTES INTENSIDADES DE LUZ E RADIAÇÕES DE DOIS COMPRIMENTOS DE ONDA. MAIS AINDA, A CONFIGURAÇÃO DOS DISPOSITIVOS TEVE UMA GRANDE INFLUÊNCIA SOBRE A RESPOSTA DOS MESMOS. OS SENSORES DE LUZ CONSTRUÍDOS A PARTIR DAS NANOESTRUTURAS RESFRIADAS RAPIDAMENTE, OBTIDAS DIRETAMENTE NA SÍNTESE NA FORMA DE CAMADAS NANOESTRUTURADAS, APRESENTARAM UM BOM DESEMPENHO, COM SENSIBILIDADE TRÊS VEZES MAIOR DO QUE OS NANOBASTÕES RESFRIADOS NATURALMENTE. OS FOTODETECTORES OBTIDOS A PARTIR DAS CAMADAS FABRICADAS POR SPIN-COTING TIVERAM UMA PERFORMANCE MUITO SUPERIOR À DOS ANTERIORES. EXCELENTES DESEMPENHOS, TANTO EM TERMOS DE SENSIBILIDADE (DE ATÉ 4000) COMO EM TEMPOS DE RESPOSTA E RECUPERAÇÃO (DE 12 E 96 SEGUNDOS, RESPECTIVAMENTE) FORAM OBTIDOS PARA ESSES DISPOSITIVOS.

Palavras-Chave (EN):

Resumo Original (EN):

THE SUBJECT OF THIS THESIS COVERS THE SYNTHESIS AND GROWTH OF INDIUM, TIN AND ZINC OXIDE NANOSTRUCTURES BY THERMAL EVAPORATION AND HYDROTHERMAL SYNTHESIS AND THE FABRICATION AND TESTING OF GAS SENSORS AND ULTRAVIOLET PHOTODETECTORS BASED ON THESE NANOSIZED STRUCTURES. FOR BOTH CHEMICAL AND PHYSICAL ROUTES, THE INFLUENCE OF PROCESSING CONDITIONS OVER THE MORPHOLOGY, DIMENSIONS AND ELECTRICAL PROPERTIES OF THE NANOWIRES WAS INVESTIGATED. IN ORDER TO OBTAIN NANOSTRUCTURED LAYERS BY THERMAL EVAPORATION A TUBULAR FURNACE WAS SPECIFICALLY BUILT, WITCH ALLOWED THE CONTROL OF THE SOURCE-SUBSTRATE DISTANCE AND THE DEPOSITION TEMPERATURE INDEPENDENTLY OF THE EVAPORATION ONE. THESE PARAMETERS, SLIGHTLY EXPLORED IN THE LITERATURE, GRANTED A BIG INFLUENCE OVER THE NANOWIRES MORPHOLOGY AND PROPERTIES. MOREOVER, THE EQUIPMENT PERMITTED THE CONTROL OF DEPOSITION ATMOSPHERE AND PRESSURE. THE DESIGN AND ASSEMBLY OF A HYDROTHERMAL REACTOR ALLOWED STUDYING THE INFLUENCE OF THE COOLING RATE OVER THE DIMENSION, MORPHOLOGY, CRISTALLINITY AND, CONSEQUENTLY, THE PROPERTIES OF THE NANOSTRUCTURES. THIS STUDY HIGHLIGHTED THE IMPORTANCE OF CONTROLLING THIS PARTICULAR PARAMETER IN THE HYDROTHERMAL PROCESS, YIELDING NANOSTRUCTURED MATERIALS WITH ENHANCED PROPERTIES. VARIABLES SUCH AS SOLUTION CONCENTRATION, SYNTHESIS TEMPERATURE AND TIME, SURFACTANTS AND PRECURSORS WERE ALSO EXPLORED IN THE HYDROTHERMAL PROCESS. IN ORDER TO OBTAIN NANOSTRUCTURED THIN FILMS USING THE CHEMICAL BATH DEPOSITION, TWO PROCESSING TECHNIQUES WERE EMPLOYED: SPIN-COATING OF POWDER SUSPENSIONS OVER OXIDIZED SILICON SUBSTRATES AND NANOSTRUCTURED ANISOTROPIC GROWTH DIRECTLY FROM SOLUTION USING ZINC COATED SUBSTRATES. THE NANOWIRES AND THE FUNCTIONAL NANOSTRUCTURED LAYERS WERE CHARACTERIZED BY XRAY DIFFRACTION (XRD), FIELD EMISSION SCANNING ELECTRON MICROSCOPY (FE ? SEM), TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY (TEM) AND X-RAY PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY (XPS). THE GAS SENSOR AND ULTRAVIOLET PHOTODETECTOR DEVICES ASSEMBLED IN THIS RESEARCH WERE BASED ON THE NANOSTRUCTURES THAT PRESENTED THE BEST MORPHOLOGICAL CHARACTERISTICS, BEING VALUED THROUGH ELECTRICAL CURRENT MEASUREMENTS FUNCTION OF WORKING TEMPERATURE, TIME, GASES AND LIGHT INTENSITY AND WAVELENGTH. A GAS TESTING CHAMBER WAS ESPECIALLY DESIGNED AND ASSEMBLED IN ORDER TO PERFORM THE ELECTRICAL CHARACTERIZATION OF THE GAS SENSORS. THIS EQUIPMENT ALLOWED THE CONTROL OF WORKING TEMPERATURE, GAS COMPOSITION AND FLOW AS WELL AS WORKING PRESSURE AND ATMOSPHERE. THE SENSORS WERE EVALUATED REGARDING THEIR SENSIBILITY TO DIFFERENT GAS SPECIES, WORKING TEMPERATURE, RESPONSE/RECOVERY TIME AND REPRODUCIBILITY. THE DEVICES BASED ON INDIUM OXIDE NANOWIRES PRESENTED A GOOD PERFORMANCE FOR WORKING TEMPERATURES BETWEEN 220-300ºC, PROVIDING HIGH REPRODUCIBILITY FOR ALL THE GAS CYCLES CARRIED OUT. THE RESPONSE/RECOVERY TIMES WERE SHORT, OF 1 AND 3 MINUTES, RESPECTIVELY FOR 300ºC WORKING TEMPERATURE. THE DEVICES SENSIBILITY VARIED IN THE RANGE FROM 2.2 TO 4 FOR TEMPERATURES BETWEEN 220 AND 300ºC. FOR THE SENSORS BASED ON TIN OXIDE NANORIBBONS, A SENSIBILITY OF 34 AND RESPONSE/RECOVERY TIMES OF 4 AND 10 MINUTES, RESPECTIVELY, WERE ACHIEVED FOR THE HIGHER WORKING TEMPERATURE USED (300ºC). THE SENSORS FOUNDED ON MIXED OXIDE NANOSTRUCTURES PROVIDED A LOW PERFORMANCE. HAVING IN MIND THAT THESE DEVICES DO NOT REACH THE INITIAL RESISTANCE VALUE FOR ANY WORKING TEMPERATURE USED, PARAMETERS LIKE SENSIBILITY AND RESPONSE TIME COULD NOT BEEN DETERMINED. MOREOVER, THE INCREASE IN THE RESISTANCE WITH TEMPERATURE RAISE INDICATES A MODIFICATION OF SENSORS SURFACE DURING TESTING. FOR THE ZNO NANORODS BASED ULTRAVIOLET PHOTODETECTORS, PARAMETERS LIKE SENSIBILITY, SELECTIVITY, REPRODUCIBILITY AND RESPONSE/RECOVERY TIME WERE STUDIED USING DIFFERENT LIGHT INTENSITIES AND WAVELENGTHS. MOREOVER, IT WAS ATTESTED THAT THE DEVICE CONFIGURATION PLAYED AN IMPORTANT ROLE IN ITS PERFORMANCE AS WELL. THE PHOTODETECTORS BASED ON THE QUENCHED NANORODS GROWN DIRECTLY FROM SOLUTION PROVIDED A GOOD PERFORMANCE, WITH A SENSIBILITY THREE TIMES HIGHER THAN THE NATURALLY COOLED NANOSTRUCTURES. THE DEVICES DERIVED FROM NANOSTRUCTURED POWDER SPIN-COATED LAYERS PROVIDED SUPERIOR CHARACTERISTICS WHEN COMPARED WITH THE ONES PRESENTED ABOVE. THESE PHOTODETECTORS EXHIBITED EXCELLENT PERFORMANCE REGARDING THE UV SENSIBILITY (OF ALMOST 4000) AND THE RESPONSE/RECOVERY TIMES (OF 12 AND 96 SECONDS, RESPECTIVELY).

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