Propriedades ópticas de nanofios de óxido de cério

Abstract

Resumo: Este trabalho apresenta um estudo de caracterização das propriedades ópticas de nanofios de óxido de cério produzidos pelo Grupo de Pesquisa em Propriedades Ópticas, Eletrônicas e Fotônica da Universidade Federal do Paraná. Foram estudadas sete amostras produzidas através da técnica de electrospinning e que sofreram tratamento térmico cujas temperaturas de calcinação variou de 350 °C a 950 °C. Para a caracterização das propriedades ópticas utilizaram-se as técnicas de espectroscopia de fotoluminescência (PL) e espectroscopia de catodoluminescência (CL). As medidas de PL foram realizadas em duas etapas devido à instrumentação disponível no laboratório de propriedades ópticas; a primeira utilizando um laser ultra-violeta (UV) cujo comprimento de onda de excitação é de 266 nm, e a segunda utilizando um laser na faixa do visível, cujo comprimento de onda de excitação é de 476 nm. A técnica de PL no UV nunca havia sido montada na UFPR, e apresentou desafios em sua implementação. As medidas de CL foram realizadas em um Microscópio Eletrônico de Varredura no Centro de Microscopia Eletrônica da UFPR. Os espectros obtidos nas medidas de PL revelam estruturas na região de baixos comprimentos de onda que podem ser atribuídas ao gap do óxido de cério, além da presença de largas bandas de defeito na região do visível e infra-vermelho do espectro. Estas bandas são atribuidas a vacâncias de oxigênio de acordo com a literatura, e tiveram seu aspecto de defeito confirmado através de medidas de PL em função da potência do laser de 476 nm. Os espectros obtidos pelas medidas de CL apresentaram-se deslocados para regiões de maior energia, devido ao feixe de elétrons favorecer a excitação de estados mais energéticos ligados à estrutura de bandas do CeO2, uma vez que tanto a energia do feixe quanto sua eficiência quântica são superiores à excitação luminosa. No entanto foi possível observar uma correlação entre as duas técnicas, de modo que uma é complementar à outra. Após a caracterização, não foi possível estabelecer uma correlação clara entre a temperatura de calcinação das amostras e variações em suas propriedades ópticas. Palavras-chave: Óxido de Cério. Nanofios. Propriedades Ópticas.

Abstract: This work presents the optical characterization of cerium oxide nanowires at the Optical, Electronic and Photonic Properties Research Group at Federal University of Paraná. Seven samples produced by the electrospinning technique were studied and underwent heat treatment whose calcination temperatures ranged from 350 °C to 950 °C. For the characterization of their optical properties, the techniques of photoluminescence spectroscopy (PL) and cathodoluminescence spectroscopy (CL) were used. The PL measurements were performed in two stages due to the instrumentation available in the optical properties laboratory; the first using an ultraviolet (UV) laser whose excitation wavelength is 266 nm, and the second using a laser in the visible range, whose excitation wavelength is 476 nm. The PL technique in the UV had never been assembled at UFPR, and presented challenges in its implementation. The CL measurements were performed in a Scanning Electron Microscope at the UFPR Electronic Microscopy Center. The spectra obtained in the PL measurements reveal structures in the region of low wavelengths that can be attributed to the cerium oxide gap, in addition to the presence of large defect bands in the visible and infrared region of the spectrum. These bands are attributed to oxygen vacancies according to the literature, and their defect aspect was confirmed through PL measurements as a function of the 476 nm laser power. The spectra obtained by the CL measurements were displaced to regions of greater energy, due to the electron beam favoring the excitation of more energetic states linked to the CeO2 band structure, since both the beam energy and its quantum efficiency are greater than using light excitation. However, it was possible to observe a correlation between the two techniques, so that one is complementary to the other. After characterization, it was not possible to establish a clear correlation between the calcination temperature of the samples and variations in their optical properties. Keywords: Cerium Oxide. Nanowires. Optical Properties.