Deposição e caracterização de nanopartículas de ZnO

Abstract

Na primeira parte do trabalho, definem-se os nanomateriais e descreve-se a sua estrutura. Posteriormente, é feita uma descrição de algumas propriedades típicas de nanomateriais, nomeadamente propriedades eletrónicas, magnéticas, óticas e térmicas, assim como a comparação das mesmas propriedades nos equivalentes materiais volumétricos. Neste contexto, são introduzidas diversas aplicações dos nanomateriais Como o material em estudo é o ZnO, procedeu-se a uma descrição das propriedades deste material, a uma abordagem dos métodos de síntese vulgarmente utilizados, assim como algumas possíveis aplicações. Os métodos de síntese de nanopartículas mencionados incluem métodos físicos e químicos, dando enfâse à pulverização catódica por magnetrão. Introduziu-se a técnica para a síntese das nanopartículas de ZnO, que combina a pulverização catódica com a agregação na fase gasosa e que permite a geração de nanopartículas e sua deposição na forma de um filme fino, com um bom controlo do tamanho médio de partículas e da espessura final do filme. Neste sentido, é descrito o sistema experimental em desenvolvimento, no qual é utilizado uma fonte de pulverização catódica numa câmara com pressão elevada (~1 mbar) para criar as nanopartículas (com dimensões entre ~1 e 15 nm). Esta câmara está ligada a uma outra câmara de alto vácuo. O gradiente de pressão entre as duas câmaras, associado a uma configuração adequada dos dois diafragmas, induz um feixe bem definido de nanopartículas, que é direcionado para um substrato, localizado na câmara principal - de alto vácuo. Nesta descrição, são introduzidos os factores que influenciam a formação e o tamanho das nanopartículas. Foram efetuadas várias deposições, variando alguns parâmetros de deposição, nomeadamente a pressão de trabalho, a pressão do gás reativo na câmara de agregação, a dimensão dos diafragmas e a corrente no alvo. Embora promissor, o método de síntese utilizado não foi adequado, pois não foram detetadas nanopartículas de ZnO. Assim, este trabalho, além de descrever todo o trabalho efetuado na deposição e caracterização das amostras produzidas, pretende dar um contributo para clarificar as possíveis causas de insucesso na produção das nanopartículas de ZnO. Um motivo para o insucesso na produção de nanopartículas poderá ser o magnetrão utilizado, o qual não permitiu a utilização das potências adequadas que conduzissem à geração das nanopartículas.

In the first part of this work is presented a brief definition of nanomaterials, their structure and a description of some typical properties, electronic, magnetic, optical and thermal, when compared with bulk materials. In this context, several applications of the nanomaterials are introduced. In a second part are described some characteristics of zinc oxide, ZnO, and its applications, as well as some synthesis methods, which include physical and chemical methods, giving emphasis to the magnetron sputtering deposition. Then, the technique for the synthesis of ZnO nanoparticles is outlined, which combines magnetron sputtering with gas aggregation, thus leading to the creation of nanoparticles and their deposition in the form of a thin film, with good control of thickness and average size particles. Therefore, it is described the experimental system in development, which use a magnetron sputtering source in a high pressure chamber (~1 mbar) to create nanoparticles (with dimensions between ~1 an 15 nm), connected to a high vacuum chamber. The pressure gradient between both chambers, associated with a proper configuration of both apertures, induces a well-defined beam of nanoparticles, directed to a substrate located in the main chamber – of high vacuum. This description includes the factors that influence the nanoparticles formation and size. Several depositions with different parameters were performed, with variations of working pressure and reactive gas partial pressure on the aggregation chamber, dimension of the apertures and current on the target. After several attempts it was not possible to detect nanoparticles, whereat the final part of this work is dedicated to the reasons for this failure - one of which may be the magnetron used, which did not permit the use of the appropriate power that might lead to the creation of nanoparticles.