Estudo das propriedades elétricas de novos nanomateriais com viabilidade de aplicação em dispositivos eletrônicos

Abstract

Resumo: Os materiais fazem parte da vida do homem desde o seu surgimento e vêm sendo pesquisados e desenvolvidos desde então. Atualmente, uma aplicação particular tem crescido muito, que são os materiais aplicados na eletrônica. Este trabalho compõe-se de 02 estudos: O primeiro estudo trata das propriedades elétricas, tipos de transporte de carga e percolação para o filme compósito de Polianilina (PANI) com Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas (MWCNT - Multi Wall Carbon Nanotubes). Desses estudos, pode-se concluir que o nanocompósito de PANI com 4% em massa de MWCNT apresenta um aumento de 5 ordens de grandeza na condutividade elétrica quando comparado ao dispositivo usando apenas PANI e devido ao revestimento dos nanotubos de carbono pela camada de PANI, o transporte de cargas ocorre por tunelamento, além disso, existe um limite de percolação na condutividade do compósito próximo de 1 % de concentração em massa de MWCNT. O segundo estudo trata das propriedades elétricas do compósito PANI com Nanotubos de Carbono de Paredes Simples (SWCNT) montados na geometria FET (Field Effect Transistor), sendo empregadas diversas técnicas de caracterização, como MEV, espectroscopia Raman, espectroscopia XPS, testes TSDC e testes elétricos. Concluiu-se que os nanotubos de carbono e as fibras de PANI, com pontas na vizinhança do eletrodo de fonte, comportam-se como amplificadores de campo elétrico local, facilitando o tunelamento de portadores de carga para o polímero. Este efeito pode ser observado através das curvas VDs x ID. Nelas, com o aumento do campo elétrico, a corrente ID apresenta um crescimento com tendência exponencial em função da quantidade e razão de aspecto dos nanotubos. A análise XPS mostra que o filme de PANI base esmeraldina foi parcialmente protonado devido ao aquecimento empregado na secagem e o teste de corrente de despolarização termicamente estimulada (TSDC) mostra que a corrente de despolarização obtida no compósito de PANI+0,1% SWCNT é de 7 ordens de grandeza maior do que o obtido no filme somente com PANI devido à concentração de nanotubos de carbono no compósito.

Abstract: Nanomaterials are part of modern human life and the understanding of their new characteristics and properties are urgent, particularly, the materials used in electronics. In this way, the thesis presents the study of two systems, relevant to electronics, of composites materials including the conducting polymer polyaniline (PANI) and carbon nanotubes: The first investigation presents the electrical properties and percolation threshold for the composite films of polyaniline (PANI) with different amounts of Multi Wall Carbon Nanotubes (MWCNT). From these studies was possible to conclude that the nanocomposite of PANI with 4% of MWCNT by weight has the conductivity increased by 5 orders of magnitude when compared to the film using neat PANI. The charge carrier transport occurs by tunneling, from one nanotube to other through the coated thin PANI layer. The percolation threshold in the conductivity of composite was found to be close to 1% of MWCNT concentration by mass. The second investigation is related to the electrical properties of PANI with Single Wall Carbon Nanotubes (SWCNT) composite mounted in FET (Field Effect Transistor) geometry. The studies involved several characterization techniques, such as SEM, Raman spectroscopy, XPS spectroscopy, TSDC tests and electrical testing. It was found that carbon nanotubes and polyaniline fibers worked as tips in the vicinity of the source electrode, behaving as local electric field amplifiers, facilitating tunneling of charge carriers in the polymer. This effect can be observed by VDs x ID curves, where one can see that with the increase of the electric field, the current ID exhibits exponential growth trend, depending on the amount and the aspect ratio of nanotubes.XPS analysis shows that the film of polyaniline emeraldine base was partially protonated due to heat used in the drying of film and thermally stimulated depolarization current testing (TSDC) shows that the depolarization current obtained in the composite PANI + 0.1% SWCNT is seven orders of magnitude higher than that obtained with neat PANI film.