Filmes de diamante nano/ultrananocristalinos dopados com boro: propriedades morfológicas, estruturais e eletroquímicas

• Ano de defesa: 2011
• Autor(a) principal: Fernando Almeida Souza
• Orientador(a): Neidenêi Gomes Ferreira, Adriana Faria Azevedo
• Banca de defesa: Maurício Ribeiro Baldan, Leide Lili Gonçalves da Silva Kostov
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores
• País: BR
• Resumo em Inglês: A systematic study of the achievement and characterization of boron doped nanocrystalline diamond films is presented. The films were obtained by the HFCVD (Hot Filament Chemical Vapor Deposition) technique, using as a doping source a boron oxide solution dissolved in methanol. Firstly, a series of experiments varying the levels of boron doping at 2,000, 5,000, 10,000, 20,000 and 30,000 ppm and film growth times for 6, 10 and 16 h were performed. Afterwards, in the second series of experiments, the films were obtained varying the argon percentage compared to hydrogen in the gas mixture at 50, 60, 70, 80 and 85\%. Morphological, structural and electrochemical studies were conducted to aim the understanding of the film properties. The morphological characterizations of these materials were made by Scanning Electron Microscopy and Atomic Force Microscopy techniques. In the structural analysis, Raman Scattering Spectroscopy and X-ray Diffraction were used. The results showed that nanosized boron doped films with high quality were produced with success. The evaluation of the electrodes was performed using cyclic voltammetry and showed a good electrochemical performance of the films for redox couple of potassium ferrocyanide. This work concluded that the boron addition increased the growth rate in the nanocrystalline films while this rate decreased for ultrananocrystalline films. The faster growth in the <110> direction in the presence of boron was attributed to this impurities may cause a greater number of defects in the films (lower crystallinity). On the other hand, the boron excess for highly doped film can also cause a reduction in growth rate due to the doping to inhibit the formation of nuclei in the first growth stage (induction to columnar growth). This contribution, when combined with the presence of oxygen, which inhibits the growth in the <220> direction, causes an increase in grain size. Taking into account the electrochemical behavior, the films were highly effective for doping with boron in a wide range of its inclusion. In addition, the work potential window and quasi-reversible kinetic for electrodes were consistent with similar studies in the literature, both for the nanocrystalline and ultrananocrystalline films, showing transition process in growth mechanism as the boron increased in the diamond lattice. The doped nanocrystalline diamond films produced in this work are able to be tested in different environments, seeking to identify their degree of efficiency in electrochemistry.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2011/11.23.16.47

É apresentado um estudo sistemático do processo de obtenção e caracterização de filmes de diamante nanocristalino dopados com boro. Os filmes foram obtidos pela técnica HFCVD (\textit{Hot Filament Chemical Vapor Deposition}), utilizando como fonte de dopante uma solução de óxido de boro em metanol. A princípio, na primeira série de experimentos variaram-se os níveis de dopagem com boro em 2.000, 5.000, 10.000, 20.000 e 30.000 ppm e tempos de crescimento do filme em 6, 10 e 16 h. Posteriormente, na segunda série de experimentos variou-se o percentual de argônio em relação ao hidrogênio na mistura gasosa, em 50, 60, 70, 80 e 85 \%. Foram feitas análises morfológicas, estruturais e eletroquímicas, visando estudos fundamentais dos filmes obtidos. As caracterizações morfológicas desses materiais foram feitas por Microscopia Eletrônica de Varredura e por Microscopia de Força Atômica. Nas análises estruturais foram utilizadas Espectroscopia de Espalhamento Raman e Difração de raios-X. Estas mostraram que foram produzidos filmes nanométricos dopados com boro de alta qualidade. A avaliação dos eletrodos foi feita utilizando a técnica de Voltametria Cíclica e mostrou um ótimo desempenho eletroquímico dos filmes para o para redox ferrocianeto de potássio. Com este trabalho pode-se concluir que o boro aumenta a taxa de crescimento nos filmes ultrananocristalinos enquanto diminui esta nos filmes nanocristalinos. Observou-se um crescimento mais rápido na direção 110 na presença do boro que foi atribuído a este ocasionar uma maior quantidade de defeitos nos filmes (menor cristalinidade). Porém, o excesso de boro, para filmes muito dopados, também pode causar uma redução na taxa de crescimento, devido ao dopante inibir a formação dos núcleos no primeiro estágio de crescimento (indução ao crescimento colunar). Esta contribuição, quando combinada com a presença de oxigênio, que inibe o crescimento na direção <220>, causa um aumento do tamanho do grão. Quanto ao comportamento eletroquímico, os filmes mostraram-se altamente eficientes para a dopagem com boro em um amplo intervalo de inclusão do dopante. Além disso, a janela de potencial de trabalho e a cinética de quase-reversibilidade ficaram compatíveis com eletrodos similares estudados na literatura, tanto nos filmes nanocristalinos como nos ultrananocristalinos, mostrando um processo de transição no crescimento com inclusão do dopante. Os filmes de diamante nanocristalinos dopados produzidos neste trabalho estão aptos a serem testados em diferentes meios, buscando identificar o seu grau de eficiência na eletroquímica.