65ª Reunião Anual da SBPC

A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 4. Física da Matéria Condensada

FABRICAÇÃO DE CRISTAIS COLOIDAIS

Leonaldo Carvalho Evangelista - Universidade Federal do Tocantíns Denisia Soares Brito - Universidade Federal do Tocantíns Alexsandro Silvestre da Rocha - Universidade Federal do Tocantíns Lucas Natálio Chavero - Universidade Federal de Santa Catarina Maria Luisa Sartorelle - Universidade Federal de Santa Catarina

INTRODUÇÃO:

A nanoestruturação de materiais é um tema atual, e a Litografia de Nanoesferas (LiN) produz nanoestruturas periódicas de baixo custo, pois as nanoesferas se auto-organizam sob a ação de forças capilares, formando estruturas periódicas (cristais coloidais) de médio ou longo alcance, dependendo do refinamento da técnica. Processos tradicionais de litografia nanométrica, como por feixe de elétrons, exigem equipamentos caros, produzindo nanoestruturação apenas na direção do feixe. Na LiN a nanoestruturação ocorre no plano e perpendicular ao filme, gerando propriedades diferenciadas dependentes da espessura, como o campo coercivo oscilatório de materiais magnéticos porosos. A LiN só foi possível com o desenvolvimento de sínteses químicas que permitiram fabricar colóides esféricos e monodispersos. Os coloides mais usuais são de polimetilmetacrilato, poliestireno e sílica, com diâmetros entre 50 a 1000 nm. Neste trabalho produzimos cristais contendo várias camadas de coloides de Poliestireno com 350 nm de diâmetro e nanoesferas de Sílica com tamanho de 400 nm, organizados pela técnica de sedimentação gravitométrica inclinada sobre substrato de vidro recoberto por filme de ITO. Os cristais coloidais produzidos são empregados na naoestruturação de materiais fotovoltaicos.

OBJETIVO DO TRABALHO:

Objetivo do trabalho é obter cristais formados por esferas nanométricas com alto grau de qualidade (ordenamento e compacticidade) produzidos por sedimentação gravitométrica inclinada. Os cristais coloidais servem como moldes no processo de nanoestruturaçao de óxido de titânio.

MÉTODOS:

Neste trabalho produzimos cristais contendo várias camadas de coloides de Poliestireno com aproximadamente 350 nm de diâmetro e nanoesferas de Sílica com tamanho estimado em 400 nm, organizados pela técnica de sedimentação gravitométrica inclinada sobre substrato de vidro recoberto por uma fina camada transparente e condutora de Óxido de Estanho dopado com Índio (ITO). Fabricação de cristais coloidais de qualidade: Máscaras tridimensionais de poliestireno foram fabricadas por sedimentação gravitométrica inclinada a partir de colóides dispersos em água. A técnica citada consiste em dispor o substrato à 14° de inclinação e deixada secar a temperatura ambiente dentro de um dissecador por aproximadamente 3 dias. Nanoesferas utilizadas: Os coloides de SiO2 com aproximadamente 400 nm empregados na cristalização foram sintetizados no próprio LABMADE. Já as esferas de Poliestireno (350 nm) foram doados pelo Laboratório de Sistemas Nanoestruturados (LabSiN) do Departamento de Física da Universidade Federal de Santa Catarina(UFSC). Monitoramento da qualidade: A qualidade das máscaras foram monitoradas previamente por microscopia ótica (no próprio laboratório) e enviadas ao LabSiN para posterior análise via microscópio eletrônico de varredura (na UFSC).

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

A solução coloidal (60 l) com aproximadamente 10% de concentração de esferas foi depositada sobre o substrato (inclinado a 14°), e permaneceu em repouso por 72 horas a 21°C. Para garantir um processo de secagem lento as amostras permaneceram fechadas, com o fundo do recipiente preenchido com 1l de água. O cristal formado por esferas de Poliestireno resultou em uma grande área de depósito (em torno de 1cm2), mostrando-se compacto e ordenado, com espessura aproximada de 60 camadas de esferas (altura de 20,4 μm), ao contrário do “cristal” de sílica. A impossibilidade em produzir cristais de qualidade empregando SiO2 sobre vidro/ITO deve-se provavelmente pela densidade da sílica (o dobro da água usada como solvente) e a taxa lenta de secagem (72 horas). Acreditamos que as esferas se depositam rapidamente no fundo da solução antes da evaporação do solvente, interferindo no processo de auto-organização. Como já obtivemos bons resultados no ordenamento de coloides de sílica alterando a composição do solvente (substituindo uma parte da água por álcool), pretendemos retornar a empregar este método nos próximos experimentos.

CONCLUSÕES:

Durante o processo investigativo realizamos diversas séries de amostras com o intuito de produzir cristais coloidais de qualidade empregados como molde na nanoestruturação de titânia. Obtivemos com êxito cristais formados por esferas de poliestireno que resultou em uma grande área de depósito (em torno de 1cm), mostrando-se compacto e ordenado, com espessura aproximadamente 60 camadas de esferas (altura de 20,4 um), utilizando como parâmetros 60 ul de solução coloidal com aproximadamente 10% de concentração de esferas depositada sobre o substrato (inclinado a 14 graus) que permaneceu em repouso por 72 horas a 21 graus Celsius. Além disto, o processo de secagem deve ser lento, permanecendo fechada em um dissecador com 1l de água no fundo. Já as amostras de sílica não tiveram bons resultados, e estão sendo cristalizadas alterando a composição do solvente, ou seja, substituindo a água por álcool para apressar o processo de secagem antes da decantação dos colóides. É importante salientar que os cristais produzidos neste trabalho estão sendo utilizados como moldes no processo de nanoestruturação de materiais fotovoltaicos.

Palavras-chave: Nanoesferas, Litografia, Cristalização.