Crecimiento de películas de dióxido de titanio con un arco catódico : funcionalización de superficies

Institución otorgante:

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Fecha:

2011

Tipo de documento: 

info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
 

Formato:

application/pdf

Idioma:

spa

Temas:

DIOXIDO DE TITANIO - ANATASA - ARCOS CATODICOS - PELICULAS DELGADAS - FOTOCATALISIS - SENSORES DE GASES - TITANIUM DIOXIDE - ANATASE - CATHODIC ARCS - THIN FILMS - PHOTOCATALYSIS - GAS SENSORS

Descripción:

El dióxido de titanio es extensamente investigado debido a sus excepcionales propiedades eléctricas, ópticas y físico-químicas que lo convierten en un material apto para una gran variedad de aplicaciones. El empleo de películas delgadas de TiO2 como material sensitivo en sensores de gases tóxicos, y su utilización como fotocatalizadores para la degradación de contaminantes en agua, se encuentran entre las áreas más investigadas sobre este material semiconductor. El TiO2 cristaliza principalmente en tres estructuras diferentes: rutilo, anatasa y brookita; siendo la anatasa, fase meta-estable, la que presenta mejor rendimiento en las aplicaciones mencionadas. La producción de films de TiO2 ha sido desarrollada mediante una gran variedad de técnicas de deposición, entre las cuales se encuentran los arcos catódicos. En estos equipos se genera una descarga de alta corriente y baja tensión entre dos electrodos inmersos en una cámara de vacío. Material del cátodo es ionizado y eyectado hacia adelante, formando un haz de iones metálicos. Al inyectar gases reactivos a baja presión, los iones metálicos pueden combinarse químicamente con las partículas del gas. Colocando un sustrato frente al cátodo, una variedad de recubrimientos pueden ser obtenidos. La estructura de las películas de TiO2 obtenidas con esta técnica depende fuertemente de la temperatura del sustrato durante el crecimiento del film y de la energía de los iones involucrados. En el presente trabajo se obtuvieron, por arco catódico, películas delgadas de TiO2 sobre sustratos de vidrio y de silicio. Los films resultaron uniformes, compactos y con buena adhesión al sustrato. Los mismos fueron crecidos en fase anatasa a 400 oC, o en fase amorfa a temperatura ambiente, y luego cristalizados en fase anatasa mediante un tratamiento térmico. La estructura de las películas fue analizada por difracción de rayos X y espectroscopía Raman. El espesor y la densidad de los recubrimientos fueron determinados mediante reflectometría de rayos X (XRR). Para las densidades se obtuvieron valores en el rango 3,88 – 4,13 g/cm3, cercanos al valor tabulado para la anatasa. Los espesores dependieron del tiempo de exposición a la descarga, observándose una tasa de deposición de ~ 2,7 nm/s. Las señales de XRR fueron ajustadas, con buen acuerdo, por señales simuladas considerando una capa de agua adsorbida sobre los films. La morfología superficial de los recubrimientos fue estudiada por microscopía de barrido electrónico y de fuerza atómica. Los films crecidos a 400 oC presentaron un menor tamaño de grano, y una menor rugosidad, que los films obtenidos a temperatura ambiente. Asimismo, estas magnitudes resultaron menores en los recubrimientos realizados sobre vidrio respecto de los depositados sobre silicio. Considerando todos los casos, los tamaños de grano estuvieron en el rango 15 – 100 nm. Se estudiaron también propiedades ópticas de los films en el rango visible, sin observarse diferencias significativas entre las muestras crecidas a diferentes temperaturas. La transmitancia media fue de ~ 80 %, la reflectancia difusa de ~ 5 %, el índice de refracción de ~ 2,8 y el band-gap de ~ 3,4 eV. La adhesión se analizó mediante los tests de la cinta adhesiva y de rayado, mostrando mejores resultados los films crecidos a alta temperatura. Se estudiaron también las propiedades del plasma generado por la descarga, relacionándolas con las características observadas en los films. El análisis se realizó a partir de mediciones con una sonda electrostática y empleando un modelo uni- dimensional que considera las interacciones del plasma metálico con el O2. A los films crecidos sobre vidrio se les realizó también una caracterización orientada a su empleo en sensado de gases y en purificación de agua por fotocatálisis. Se estudió la respuesta de la resistencia eléctrica de los films ante variaciones en la presión ambiente, en aire y O2, observándose una disminución de la sensibilidad al aumentar la temperatura. La sensibilidad fue mayor en los films depositados con calentamiento in-situ, y aumentó al incrementarse el espesor de la película. La respuesta fotocatalítica de los films fue evaluada a través la eficiencia en la reducción Cr(VI), en presencia de EDTA, asistida por irradiación UV. No se observaron diferencias en los rendimientos de las películas crecidas a distintas temperaturas. Por otro lado, los films crecidos por arco mostraron una menor actividad que películas de TiO2 P-25, obtenidas por dip-coating, utilizadas como referencia. Sin embargo, la eficiencia de las películas depositadas por arco aumentó al incrementarse el espesor, llegando a lograrse un 100 % de reducción de Cr(VI) luego de 6 horas de irradiación.

Identificador:

https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n4813_Kleiman