Síntese de nanopartículas de VO2 através da técnica de ablação laser em solução aquosa

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Beckerle, Bruno de Sá
Data de Publicação: 2023
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/87202
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Dante Homero Mosca Júnior
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spelling Cezar, Alex BoiarskiUniversidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPEMosca, Dante HomeroBeckerle, Bruno de Sá2024-03-20T21:10:45Z2024-03-20T21:10:45Z2023https://hdl.handle.net/1884/87202Orientador: Prof. Dr. Dante Homero Mosca JúniorCoorientador: Prof. Dr. Alex Boiarski CezarTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa : Curitiba, 15/12/2023Inclui referênciasResumo: O dióxido de vanádio (VO2) é altamente atrativo para aplicações tecnológicas por apresentar uma transição metal-isolante (MIT) acompanhada por uma mudança de sua transmissividade óptica (termocromismo) na região do espectro da luz visível próximo à temperatura ambiente. Estas mudanças de comportamento físico ocorrem mediante a transformação da fase isolante monoclínica para a fase rutilo metálica. Neste trabalho, apresentamos a síntese de nanopartículas de VO2 juntamente com estudos teórico-experimentais detalhados das suas propriedades eletrônicas, vibracionais, elétricas e óticas nas fases monoclínica e rutilo em torno da temperatura MIT. As nanopartículas de VO2 são produzidas em 3 etapas: a primeira, por uma técnica de preparação simples e eficiente baseada na irradiação por pulsos de laser em dispersões de pó comercial de V2O5 em água bidestilada; a segunda etapa consiste em secar em mufla a 60 ºC o material produzido sobre substratos; posteriormente, as amostras são submetidas a um tratamento térmico à vácuo, por 4 horas, em temperatura superior a 770 K, produzindo as nanopartículas de VO2. As nanopartículas obtidas são cristalinas com contornos facetados, obedecendo uma distribuição estatística tipo log-normal de tamanhos com diâmetros médios de 20 nm, 36 nm e 62 nm, conforme condições específicas de irradiação a laser e tratamento térmico. As nanopartículas exibem uma transição de fase estrutural da fase monoclínica para a fase rutilo em torno de 323 K, que é cerca de 17 K menor do que o valor observado para amostras de VO2 macroscópicas. Revestimentos de substratos por agregados densos de nanopartículas de VO2 exibem a transição de fase estrutural antecipada acompanhada da MIT, com variações de seis ordens de magnitude, juntamente com o efeito termocrômico na região da luz visível. Nessas medidas, os agregados de nanopartículas com diferentes diâmetros não apresentam evidências da formação de fases intermediárias, comumente relatadas para este material quando em volume macroscópico. Resultados experimentais revelam ainda que o diâmetro das nanopartículas de VO2 pode ser controlado usando diferentes comprimentos de onda do laser e diferentes tempos de irradiação. Análises de resultados experimentais apoiadas por cálculos computacionais baseados na teoria do funcional da densidade revelam a importância dos principais modos vibracionais na transformação da fase monoclínica-rutilo reversível. A combinação de informações extraídas de difração de raios X e de elétrons, espectroscopia Raman e medições de absorção de raios X na borda de absorção do vanádio indicam que orbitais moleculares presentes nas estruturas cristalinas de VO2 exibem uma quaseunidimensionalidade intrínseca associada às cadeias de V que são determinantes na manifestação das propriedades físicas do VO2. Em especial, as transições estrutural e eletrônica observadas são essencialmente determinadas pelo comprimento das cadeias de vanádio paralelas e pelos modos vibracionais em oposição de fase nas fases monoclínica e rutilo. Os resultados revelam desempenhos promissores das nanopartículas produzidas que preservam as principais propriedades do material para aplicações nas áreas de sensores termoelétricos e revestimentos ativos termossensíveis às variações térmicas ao redor da temperatura ambiente. Finalmente, experimentos mostram também que estas nanopartículas são potenciais candidatas ao uso em dispositivos de chaveamento térmico, bem como microantenas de recepção e transmissão na faixa de frequência de gigahertz.Abstract: Vanadium dioxide (VO2) is a highly attractive material for technological applications due to its metal-insulator transition accompanied by a change in its optical transmissivity (thermochromism) in the region of the visible light spectrum close to room temperature. These changes in physical behaviour occur with the transformation of the insulating monoclinic phase to the metallic rutile phase. In this work, we present the synthesis of VO2 nanoparticles together with detailed theoretical-experimental studies of their electronic, vibrational, electrical, and optical properties in the monoclinic and rutile phases around the metal-insulator transition temperature. VO2 nanoparticles are produced through 3 steps: the first, by a simple and efficient preparation technique based on laser pulse irradiation of dispersions of commercial V2O5 powder dispersed in double-distilled water contained in a quartz cuvette; the second stage consists of drying the material produced in the previous stage in a muffle furnace at 60 ºC, so that it can be deposited on a substrate embedded in the bottom of a beaker; In the last stage, the samples are subjected to vacuum heat treatment for 4 hours at a temperature above 770 K, producing VO2 nanoparticles. The VO2 nanoparticles produced are crystalline with faceted contours, obeying a log-normal statistical distribution of sizes with average diameters of 20 nm, 36 nm and 62 nm, according to specific laser irradiation and heat treatment conditions. VO2 nanoparticles exhibit a reversible structural phase transition from the monoclinic to rutile structure at around 323 K, which is about 17 K lower than the value observed for bulk VO2 samples. Dense aggregates of VO2 nanoparticles with variable size when covering substrates exhibit anticipated structural phase transition accompanied by metal-insulator transition with variations of more than six orders of magnitude in electric resistance. Such electrical response occurs along with thermochromic effect in the visible light region. In these measurements using nanoparticle aggregates with different sizes, there are no evidence of the formation of intermediate phases, which are commonly reported in bulk. Our results also reveal that the average size of VO2 nanoparticles can be controlled using different wavelengths and irradiation times. Experimental analyses supported by computational calculations based on density functional theory reveal the importance of the predominant vibrational modes in the reversible monocyclic-rutile phase transformation. The combination of information extracted from X-ray and electron diffraction, Raman spectroscopy and X-ray absorption measurements at the vanadium absorption edge indicates that molecular orbitals present in the VO2 crystalline structures exhibit an intrinsic quasi-one-dimensionality associated with the V chains. which are decisive in the manifestation of the physical properties of VO2. In particular, the observed structural and electronic transitions are essentially determined by the length of the parallel vanadium chains and their vibrational modes in phase opposition in the monoclinic and rutile phases. The present results reveal a very promising performance of the produced nanoparticles that preserve the main properties of bulk for applications in the areas of thermoelectrical sensors and smart windows activated by thermal variations around ambient temperature. Finally, experiments show that these nanoparticles are also potential candidates for thermal switching devices as well as receiving and transmitting microantennas in the gigahertz frequency range.1 recurso online : PDF.application/pdfVanadioNanopartículasLasersTransições metal-isolanteEngenharia de Materiais e MetalurgiaSíntese de nanopartículas de VO2 através da técnica de ablação laser em solução aquosainfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - T - BRUNO DE SA BECKERLE.pdfapplication/pdf7829919https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/87202/1/R%20-%20T%20-%20BRUNO%20DE%20SA%20BECKERLE.pdf120a7eb117542879b3f9948d904a7759MD51open access1884/872022024-03-20 18:10:45.642open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/87202Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082024-03-20T21:10:45Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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