Estudo morfológico e estrutural de filmes de Ni(OH)2 e NiO

Abstract

Neste trabalho é apresentada uma nova metodologia para o crescimento de filmes de Ni(OH)2 sobre um substrato semicondutor não-degenerado. O crescimento do filme foi realizado por eletrodeposição potenciostática anódica assistida por luz, sobre substratos de silício monocristalino tipo n com orientação <100>. Para isso, utilizou-se soluções eletrolíticas contendo Ni????4.6??2??, dodecil sulfato de sódio e KOH como solução tampão. Foram utilizadas duas concentrações de sulfato de níquel, 0,50 e 0,75 M e temperaturas do eletrólito de T = 10, 15, 20 e 25 ºC. Caracterizações estruturais dos filmes de Ni(OH)2 foram realizadas por difração de raios X, espectroscopia Raman e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raio X, na qual determinou-se que o filme eletrodepositado corresponde à fase ß-Ni(OH)2, que apresenta defeitos estruturais e baixa cristalinidade. As caracterizações morfológicas dos filmes de ß-Ni(OH)2 foram realizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e por MEV acoplado com uma fonte de íons focalizados (FIF). Imagens de MEV (vista de topo) revelaram que o material eletrodepositado possui morfologia nanoporosa dependente dos parâmetros de eletrodeposição. Os dados obtidos por MEV-FIF permitiram fazer uma reconstrução 3D da nanoestrutura porosa dos filmes, desta forma a porosidade dos filmes foi determinada para cada condição de eletrodeposição. Foi proposta uma equação que relaciona a porosidade com a eficiência faradaica do processo de eletrodeposição.Em uma segunda etapa do trabalho, filmes de NiO foram obtidos por tratamento térmico dos filmes de Ni(OH)2 em três temperaturas diferentes. As caracterizações estruturais verificam que efetivamente o material após tratamento corresponde à fase NiO e a cristalinidade é melhorada para temperaturas de tratamento térmico mais elevadas. As caracterizações morfológicas evidenciaram uma progressiva diminuição da espessura dos filmes com a temperatura de tratamento térmico, produzida pela liberação de moléculas de água em forma de vapor da estrutura interna do filme e mudanças da nanoestrutura porosa do filme.

Abstract: This work presents a new methodology for the growth of Ni(OH)2 films on a non-degenerate semiconductor substrate. The growth of the films was done by light-assisted anodic potentiostatic deposition on n-type monocrystalline Si substrates with orientation <100>. For this, we have used electrolytic solutions containing Ni????4.6??2??, sodium dodecyl sulfate and KOH. Two concentrations of nickel sulfate, 0.50 and 0.75 M and electrolyte temperatures of T = 10, 15, 20 and 25 ° C were tested. The films were characterized by X-ray diffraction, Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy, in which it was determined that the electrodeposits correspond to the ß-Ni(OH)2 phase, with structural defects and low crystallinity. The morphological characterizations of the ß-Ni(OH)2 layers were performed by scanning electron microscopy (SEM) and focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM). SEM images (top view) revealed that the electrodeposited material has nanoporous morphology dependent on the electrodeposition parameters. The data obtained by FIB-SEM allowed a 3D reconstruction of the porous nanostructure of the films and to obtain the porosity of the electrodeposited film. It was proposed an equation that relates porosity to the faradaic efficiency of the electrodeposition process.In a second step of this work, NiO films were obtained by heat treatment of Ni(OH)2 films at three different temperatures. Structural characterizations verify that the material after treatment effectively corresponds to the NiO phase and crystallinity is improved for higher heat treatment temperatures. The morphological characterization evidenced a progressive decrease in the thickness of the films with the thermal treatment temperature, due to the release of water molecules from the structure and changes in the porous nanostructure of the film.