Síntese e caracterização de nanoestruturas de óxido de zinco produzidas via electrospinning

Abstract

Resumo: Óxido de Zinco é considerado um material semicondutor muito versátil, pois possui gap de energia de 3,37 eV e alta energia de ligação de éxciton (60 meV) a temperatura ambiente, assim como elevada temperatura de fusão (1974,85ºC). Estas propriedades são muito atraentes para ambos os meios científico e industrial e permitem sua aplicação em dispositivos optoeletrônicos, células fotovoltaicas e sensores. Patenteada na década de 1930 a técnica de electrospinning é considerada na atualidade como uma das ferramentas da nanotecnologia, pois permite a produção direta de filamentos nanométricos a partir de soluções poliméricas. Esta técnica está baseada na ejeção de um filamento de uma solução polimérica da extremidade de um capilar metálico conectado ao terminal positivo de uma fonte de alta tensão. A ejeção do filamento ocorre devido ao campo elétrico existente entre a extremidade do capilar e um anteparo aterrado que contém o substrato onde o material será depositado. Neste trabalho a técnica de electrospinning foi empregada para ejetar uma solução aquosa de álcool polivinílico (PVA) e acetato de Zinco (AcZn) em diferentes concentrações. A calcinação posterior dos nanofios obtidos em diferentes temperaturas permitiu a obtenção de diferentes tipos de nanoestruturas de ZnO. Foram estudadas as morfologias dos nanofios obtidos com diferentes concentrações da solução precursora, assim como das nanoestruturas obtidas após a calcinação. Verificou-se que a adição de Lauril Sulfato de Sódio na composição das soluções precursoras permitiu a obtenção de nanofios com até 73% de concentração mássica de acetato de Zinco, um resultado ainda não reportado na literatura. Determinada a concentração ideal dos componentes da solução precursora, foram repetidas as deposições e calcinações para verificar repetitividade do processo. As nanoestruturas obtidas foram caracterizadas empregando Microscopia Eletrônica de Varredura de Alta Resolução (MEVAR), Difração de raios-x (DRX), Espectroscopia de raios X por Dispersão em energia (EDS), espectroscopia Raman e Catodoluminescência (CL). Palavras chave: nanotecnologia, Óxido de Zinco, electrospinning, álcool polivinílico, nanofios.

Abstract: Zinc Oxide is considered as a highly versatile semiconductor material due to its 3.37 eV band gap, its high exciton binding energy (60 meV) at room temperature, as well as its high fusion temperature (1974.85 oC). Such properties are quite attractive to both scientific and industrial realms and allow its application in optoelectronic devices, photovoltaic cells and sensors. Patented in the 1930's, the electrospinning technique is considered nowadays as one of the nanotechnology tools, because it allows the direct fabrication of nanometric filaments starting from polymeric solutions. This technique is based on the ejection of a polymeric solution filament from the tip of a metallic capillary electrically connected to the positive terminal of a high voltage power source. The filament ejection occurs due to the electric field between the capillary extremity and the grounded sample holder, where the material will be deposited. In this work, the electrospinning technique was used to eject an aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) and Zinc acetate (AcZn) with different concentrations. The posterior calcination of the obtained nanowires led to different kind of ZnO nanostructures. Morphological characterizations were performed in the nanowires obtained after deposition and in the nanostructures obtained after calcination. It was verified that the Lauril Sodium Sulfate addition to the precursor solution allowed the production of nanowires with up to 73 wt% of Zinc acetate, a fact that was never reported in the literature. After determining the precursor solution ideal composition, all depositions and calcinations were repeated to verify the process repeatability. The obtained nanostructures were characterized using High Resolution Scanning Electron Microscopy (HRSEM), X-Ray Diffraction (XRD), Energy Dispersion X-Ray Spectroscopy (EDS), Raman spectroscopy and Cathodeluminescence (CL). Key words: nanotechnology, Zinc oxide, electrospinning, polyvinyl alcohol, nanowires.