Sensores de gazes utilizando nanotubos de carbono e o estudo estrutural do óxido de ferro hematita

Orientadora: Profa. Dra. Lucimara Stolz Roman Co-orientador: Prof. Dr. Marcela M. Oliveira Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduaçao em Engenharia - PIPE. Defesa: Curitiba, 14/03/2012 Bibliografia: fls. 102-118 Área de concentraçao: Engenharia e ciencia dos materiais Resumo: - Neste trabalho é apresentado um estudo sobre sensores de gás baseados em nanotubos de carbono. Para tanto, um sistema de caracterização de sensores foi desenvolvido a fim de elucidar os fenômenos relacionados a esse tipo de dispositivo. As características elétricas e morfológicas de filmes de nanotubos de carbono depositados por diferentes técnicas foram testadas. A fim de atingir a morfologia mais adequada para o filme de nanotubos, um método de deposição de filmes automontados em interfaces líquidas foi desenvolvido para aplicação em dispositivos sensores de gases. A sensitividade dos sensores construídos por este método apresentou um valor 3,4 vezes maior que aqueles produzidos por um método convencional. A morfologia dos filmes de nanotubos de carbono mostrou-se estar diretamente ligada à eficiência dos dispositivos sensores. Nanotubos de carbono preenchidos com óxido de ferro foram testados como sensores para a detecção do gás oxigênio. Notaram-se singularidades devido à influência do material em seu interior; esse material apresentou uma sensitividade de 4% para 1% de oxigênio em meio a um fluxo de nitrogênio. O estudo teórico do óxido de ferro hematita, material presente no interior do nanotubos preenchido, demonstrou que a estrutura mais estável para este material é uma configuração antiferromagnética com spins invertidos entre os átomos de ferro ao longo da direção longitudinal da célula unitária hexagonal. A presença de vacâncias de oxigênio e átomos intersticiais nessas estruturas provoca alterações nestas estruturas, modificando sua configuração eletrônica reduzindo a magnetização por átomo de ferro. Abstract: TThis work presents a study about gas sensors based on carbon nanotubes. Therefore, a sensors' characterization system was developed in order to elucidate the phenomena related to this sort of device. The electrical and morphological characteristics of carbon nanotube films deposited by different techniques were ested. In order to achieve the most suitable morphology for the nanotube films, a deposition method of self-assembled films in liquid interfaces was developed for the application in gas sensors devices. The sensitivity of the sensors that were built by this method was 3.4 times higher than of those produced by a conventional method. The morphology of the carbon nanotube films proved to be directly connected to the sensor devices' efficiency. Carbon nanotubes filled with iron-oxide were tested as sensors for the detection of the gas oxygen. Some singularities were noticed due to the material's influence in its inside; this material showed a sensitivity of 4% for 1% oxygen in a nitrogen flow. The theoretical study of the hematite iron oxide, which is part of nanotubes filling, showed that the most stable structure for this material is an antiferromagnetic configuration with inverted spins between the iron atoms along the longitudinal direction of the hexagonal unitary cell. The presence of oxygen vacancies and interstitial atoms in those structures provoke changes in the structures, modifying their electronic configuration and reducing the magnetization per each iron atom.