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Highly ordered monocrystalline silver nanowire arrays Elevada ordem de monocristais dos arranjos de nanofios de prata Yan Franco.

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1 Highly ordered monocrystalline silver nanowire arrays Elevada ordem de monocristais dos arranjos de nanofios de prata Yan Franco

2 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais Introdução Tem sido obtidos cerca de 100% de enchimento dos poros com dimensões nanométricas de prata. Dificuldade de conseguir um enchimento homogêneo baseado nas instabilidades que ocorrem durante o crescimento dos nanofios de prata altamente condutores. Em outras publicações relativas ao enchimento de nanoporos de prata com relação à homogeneidade do enchimento, não é abordado o problema, podendo ser deduzido a partir dos dados que apenas uma fracção muito baixa de enchimento tenha sido alcançado.

3 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais Os modelos de alumina porosa de ordenadas hexagonais foram preparados através de 2 etapas do processo de anodização. Preparação de modelos ( Template preparation) Etapa 1: Uma longa duração na oxidação de alumínio de elevada pureza e depois uma dissolução completa da alumina porosa formando o modelo de substratos de alumínio. A superfície da textura se manteve hexagonal o qual atua como uma máscara para a anodização. Etapa 2: Após a segunda oxidação, é obtido uma matriz de nanoporos ordenados

4 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais Os modelos de alumina porosa de ordenadas hexagonais foram preparados através de 2 etapas do processo de anodização. Preparação de modelos ( Template preparation) Anodização é o processo de criar um filme de óxido sobre certos metais por meio da imersão em um banho eletrolítico no qual o metal a anodizar é ligado ao pólo positivo de uma fonte de eletricidade, transformando-se no anodo da cuba eletrolítica.

5 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais Preparação de modelos ( Template preparation) Etapas de preenchimento da estrutura. O substrato de Al é pre-estrutrurado por anodização durante um longo tempo até que os poros se organizem numa estrutura hexagonal. Em seguida, o óxido de alumínio é removido seletivamente. Começando a partir de um substrato de Al pre- estruturado, uma estrutura de poro altamente ordenada de alumina que é obtida numa segunda etapa de anodização.

6 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais Em seguida, os poros são preenchidos por eletrodeposição pulsado com prata. Preparação de modelos ( Template preparation) Etapas de preenchimento da estrutura. A camada de barreira é mais fina e os poros são alargadas por ataque químico isotrópico. Para um maior afinamento da camada de barreira, duas correntes limitadas de anodização são utilizados e á formação de poros dendriticos ocorrem na camada de barreira.

7 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais É um processo utilizado para conseguir um revestimento muito fino e relativamente livre de poros. É economicamente importante porque se consegue proteção adequada com uma camada bem fina, evitando-se excesso do metal eletrodepositado, que pode ser caro. Eletrodeposição Nesse processo, o material a ser protegido é colocado como catodo de uma cuba eletrolítica, onde o eletrólito contém sal do metal a ser usado no revestimento podendo o anodo ser também do metal a ser depositado. Usando a Lei de Faraday Por definição, a carga necessária para se depositar um equivalente eletroquímico de um material é: e = m/n m = P/ A m = número de moles do material depositado P = peso do material depositado A = seu peso atômico n = o número de cargas envolvidas na reação Eletrodeposição com cobre

8 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais Os poros são preenchidos com a prata sob condições constantes. Para alcançar um preenchimento uniforme dos poros, a escolha de um eletrólito adequado é crucial. A fim de evitar o ataque corrosivo do molde de alumina, o pH do eletrólito tem de ser ajustado entre 4 e 8. Para fornecer a interface na deposição com íons metálicos a concentração de espécies de prata eletroativo tem que ser elevado, caso contrário, a liberação de hidrogénio pode tornar-se dominante. Além disso, a eletrodeposição pulsada através de uma camada de barreira de is olamento requer a polarização negativa elevada. Eletrodeposição

9 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais A eletrodeposição pulsada consiste de pulsos modulados no intervalo de milissegundos. É possível obter redução do consumo principalmente de aditivos, redução do consumo de energia elétrica e produz revestimentos de melhor qualidade. A principal vantagem do emprego da corrente pulsada na deposição é obter depósitos e codepósitos com propriedades químicas e físicas melhores que seus respectivos por deposição por corrente contínua. Eletrodeposição Pulsada Os metais depositados por corrente pulsada possuem menor quantidade de hidrogênio adsorvido à superfície, diminuindo a tensão interna dos revestimentos quando comparados, aos obtidos por corrente contínua. A corrente pulsada gera mudanças significativas na morfologia, propriedades mecânicas e resistência à corrosão dos depósitos. Isto torna essa técnica de alto interesse industrial.

10 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais Os modelos cheios de alumina foram examinadas por microscopia eletrônica de varredura para determinar o grau de enchimento dos poros e a extensão dos nanofios de prata. Caracterização FIG. Micrografias de uma membrana de alumina cheia de prata. a- Vista de cima de uma amostra não desbastados; b - vista de cima de uma mesma amostra de aproximadamente 200 nm debaixo da superfície inicial; c - vista lateral de uma fratura.

11 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais Caracterização Em alguns poros, os nanofios de prata atingiram a abertura dos poros de eletrodeposição produzindo excessivo crescimento tridimensional de partículas de prata na parte superior da estrutura de matriz de pontos brilhantes. Na maior parte do restante a parte superior dos nanofios pode ser vista por diferentes níveis de cinzento que indicam diferentes níveis de profundidade do poro residual. FIG. Vista de cima de uma amostra não desbastados

12 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais Caracterização Simples corte de um substrato desbastado com um alicate de corte levando a uma fratura da camada rígida de alumina. A maior parte dos poros estão cheios com fios de prata brilhante para, pelo menos, 90% na altura. A falta de fios em alguns dos poros, bem como a presença de fios torcidos e roto pode ser facilmente explicada pela tensão mecânica evoluir durante o processo de clivagem da membrana de alumina. FIG. Vista lateral de uma fratura.

13 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais Caracterização Mostra um segmento de dois fios adjacentes tocam um ao outro ao longo de uma linha quase horizontal. A partir de difração de elétrons área selecionada, esses fios de prata são encontrados contendo um certo nível de defeitos de rede, tais como fronteiras entre macias e defeitos de empilhamento. Enquanto o fio na parte inferior da fig. não apresenta defeitos de rede no quadro da imagem FIG. TEM - imagem de um segmento de dois nanofios de prata adjacentes. Cristalinidade e superfície de configuração dos fios de prata foram analisados por ALTA- RESOLUÇÃO DA MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE TRANSMISSÃO.

14 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais Discussão Durante os impulsos positivos, a capacitância da camada de barreira é descarregada. Além disso, como apontado por Dobrev et al., a utilização de impulsos positivos leva a nanofios monocristalinos. Outra instabilidade eletrostática surge durante o crescimento dos fios de prata. Uma vez que os nanofios de Ag são sempre mais condutores que o eletrólito, pequenas flutuações no comprimento do fio serão reforçadas e levaram a um crescimento não uniforme. Para obter um enchimento homogéneo por causa de um negativo, a resistividade do eletrólito deve ser menor do que a do fio de metal. Tal condição é irreal para qualquer metal uma vez que a condutividade dos metais puros é algumas ordens de magnitude superior ao do concentrado dos eletrólitos A única possibilidade de preencher uma fina camada de alumina porosa é, portanto, o modelo ser maior do que a espessura da membrana. Isto significa que o início da instabilidade não ocorrerá abaixo da espessura crítica tendo então um enchimento homogéneo.

15 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais Conclusão No presente trabalho foi demonstrado que sob condições muito específicas de eletrodeposição pulsada, pode-se obter uma solução homogénea de quase 100% de enchimento de matrizes de poros com prata.

16 Universidade Federal do Amazonas Engenharia de Materiais OBRIGADO!


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