Facultatea de Fizica Iasi - Universitatea "Al. I. Cuza"
ro en
Imagini din facultate
Calendar
Rezumat stiintific NANOTIMED

O directie importanta in rezolvarea problemelor ecologice globale o constituie dezvoltarea aplicatiilor ce au la baza atat detectarea unor substante poluante (senzorii de gaz), cat si procesele de oxidare cu efect in depoluarea mediului. In ultimii  ani, studierea proceselor de oxidare a luat o mare amploare, mai ales datorita faptului ca multi compusi organici poluanti sunt rezistenti la tratamentele chimice sau biologice. Astfel, se pare ca dezvoltarea aplicatiilor ce au la baza aceste procese de oxidare devine cea mai buna optiune in viitorul apropiat, datorita regulamentelor din ce in ce mai stringente si a standardelor inalte pe care industria trebuie sa le indeplineasca in privinta poluarii.
Utilizand lumina, materialele fotocatalitice sunt capabile sa oxideze moleculele adsorbite la suprafata, constituind una din solutiile problemelor ecologice amintite. Eficienta acestor materiale este cu atat mai mare, cu cat ele sunt capabile sa genereze perechi electron-gol care, in continuare, genereaza agenti puternici de oxidare, responsabili de oxidarea substantele organice. Uneori se pot obtine informatii despre caracteristicile fotocatalitice ale unei probe, plecand de la masuratori de hidrofilicitate (determinarea unghiului de contact dintre o picatura de apa bidistilata si suprafata studiata), studii incepute si de colectivul nostru pe diferite straturi de TiO2. In general, aceste straturi sunt hidrofobe, dar cand sunt expuse la radiatia UV, ele pot deveni superhidrofile (unghiul de contacat scade sub 10 grade). Deşi avand mecanisme diferite, proprietatile fotocatalitice şi cele de hidrofilicitate, specifice dioxidului de titan sunt strans corelate. Proprietatile fotocatalitice ale straturilor de TiO2, si anume, abilitatea de a oxida  si de a degrada materialele organice isi au originea, asa cum am precizat mai sus, in producerea de radicali hidroxil si de superoxizi de catre golurile si electronii generate sub actiunea unei radiatii luminoase cu lungime de unda corespunzatoare. In cazul explicarii proprietatilor de hidrofilicitate, mentionam ca si aici electronii si golurile fotogenerati joaca rolul de baza, insa acestia reactioneaza in mod diferit. Astfel, electronii tind sa reduca cationii Ti(IV) la starea Ti(III), iar golurile oxideaza anionii O22- la O2. In acest proces, atomii de oxigen sunt indepartati si apar vacante de oxigen care sunt inlocuite de molecule de apa disociate, rezultind o suprafata hidrofila (Moleculele de apa pot sa ocupe aceste vacante de oxigen).
Cu cresterea concentratiei de gaze nocive din mediul inconjurator, devine tot mai necesara imbunatatirea calitatii controlului poluarii aerului si, prin urmare, perfectionarea dispozitivelor cu senzori de gaz. Avantajul senzorilor de gaz cu corp solid fata de alte dispozitive cu senzori de gaz (sisteme spectroscopice si optice) consta in raspunsul lor rapid, costul scazut si implementarea lor simpla in spatii reduse, cum ar fi motoarele masinilor. Oxizii metalelor de tranzitie (TiO2, SnO2, WO3, In2O3) (banda interzisa mare) sunt considerati cei mai buni senzori de gaz, iar TiO2 in special, datorita si bunei stabilitati  mecanice si duritatii sale mari.
In cadrul acestui contract am propus conditii clare de depunere, incluzand si doparea controlată, care conduc, in cadrul unor metode diferite de depunere, la obţinerea de faze pure (ori anatas, ori rutil), fiecare cu proprietăţi bine determinate şi utile în aplicaţii practice diferite: Interesul crescut pentru studiul anatasului este motivat si prin rolul cheie pe care acesta il joaca in fotocataliza, datorita largimii mari a benzii sale interzise, in timp ce rutilul, fiind o faza stabila din punct de vedere termodinamic este dorit in obtinerea de senzori.
Pentru obtinerea de straturi subtiri de TiO2 cu structura si morfologia dorite, am utilizat atat pulverizarea catodica reactiva r.f. si d.c.- metode ce conduc la straturi uniforme, dense, controlate din punct de vedere stoichiometric, cat si metode chimice (piroliza spray, metoda sol-gel), care au permis obtinerea unor straturi mult mai rugoase. De remarcat este faptul ca piroliza spray, o metoda noua in cadrul catedrei noastre si care inca mai necesita imbunatatiri, a permis obtinerea unor straturi subtiri cu suprafata activa mult mai mare (rugozitati medii cuprinse intre 20si 40nm). decat cele obtinute in cadrul metodei sol-gel (rugozitati medii sub 10nm), observatie deosebit de importanta atat in aplicatiile fotocatalitice, cat si in cele de senzor, unde este de dorit adsorbtia unui numar cat mai mare de molecule.
Am constatat, din cercetarile efectuate asupra unui numar mare de probe depuse prin metodele mentionate mai sus ca, majoritatea straturilor studiate prezinta caracteristica de superhidrofilicitate in prezenta iradierii cu UV-Vis. De remarcat ca, acolo unde nici compozitia fazei antas nu este in proportie de 100%, nici rugozitatea nu este mai mare de 5nm, caracterul de superhidrofilictate apare datorita prezentei cristalitelor de dimensiune nanometrica (aprox. 10nm).    Astfel, la probele depuse prin pulverizare catodica, doparea cu pământuri rare (Ce, Nb, aprox. 0,4at.%), pe lângă efectul benefic de favorizare a dezvoltării unei ordonări de tip anatas, apare si un efect nedorit, anume acela de reducere a duratei fotoactivării. Acest comportament poate fi atribuit unei rate sporite de recombinare a purtătorilor de sarcina generaţi prin iradiere. Eficienta fotocatalitica crescuta a probelor de oxid de titan dopate cu 1 at.% Fe si depuse pe ITO (oxid de indiu dopat cu staniu) mult mai mare decat a straturilor depuse in acelasi tur de depunere dar pe sticla, poate fi explicata doar prin luarea in considerare a efectului impuritatilor de Fe(III) (de 4 ori mai multe decat in probele corespunzatoare dar depuse pe sticla) puse in evidenta prin rezonanat electronica de spin. Este confirmat astfel efectul benefic al impuritatilor Fe(III), care joaca un rol important in sensul separarii electronilor de goluri. In literatura exista dezbateri referitor la  rolul dopantilor de fier in straturile de TiO2, ca centri de recombinare electron/gol, ori ca centri de separare a electronilor de goluri, ceea ce sporeste fotoactivitatea. Rezultatele de mai sus sugereaza ca doparea cu fier este mai degraba asociata cu al doilea efect mentionat.
Masuratorile de transmisie optica care permit aflarea largimii optice a benzii interzise in fiecare din straturile studiate sunt in concordanta cu rezultatele de difractie de raze X, daca se iau in considerare valorile stiute din literatura pentru fazele anatas si rutil (3,2eV si respectiv 3,0eV). Valoarile cele mai mari, de 3,21 eV, si 3.23eV, au fost obtinute pentru probele obtinute prin metoda sol-gel, dopate cu Pd (0,5wt% si respectiv 1wt.%) tratate termic la 300 C explica caracterul supehidrofil al acestora si se coreleaza cu continutul de 100 %anatas.
Din analizarea  diferitelor dependente ale conductivitatii electrice ale probelor studiate, au fost stabilite principalele mecanisme ce predomina in diferite domenii de temperatura: modelul Baccarani la temperaturi mai mari ca temperatura camerei si modelul conductiei prin hopping (VRH) la temperaturi mai mici ca temperatura camerei (mecanismul VRH al lui Mott guverneaza la temperaturi mai ridicate si cel al lui Efros-Shklovskii guverneaza la temperaturi mai joase, o tranzitie avand loc in domeniul 80-100K). In plus, referitor ln probele dopate cu Nb, s-a propus, pentru temperaturi cuprinse intre 200K si 325K, modelul VRH al lui Mott, iar pentru temperaturi cuprinse intre 325K si 425K, dependentele de temperatura al conductivitatii electrice si coeficientului Seebeck confirma faptul ca mecanismul de conductie este cel de hoping prin polaroni. Sub 200K, conductivitatea electrica a probelor studiate practic nu depinde  de temperatura.
Pentru majoritatea straturilor obtinute au fost realizate determinari de sensibilitate a straturilor subtiri de tio2 in diferite atmosfere gazoase (acetona, etanol, metan si GPL). S-a constatat ca straturile depuse pe siliciu, sunt cele mai sensibile la aceste gaze, in special la acetona, acest substrat oferind formarea fazei stabile rutil, fin nanostructurat, dorita in domeniul senzorilor de gaz
Potentialii utilizatori ai cercetarilor propuse in prezentul proiect apartin nu numai industriei si cercetarii in domeniul protectiei mediului, ci si microelectronicii, productiei de senzori, industriei optice, industriei de materiale biocompatibile etc.

Users login
username:
Password:
Cauta
cuvant:
Contact Us

Loading...