Estudo da estabilidade das propriedades estruturais, vibracionais e hiperfinas de nanopartículas de SnO2 dopadas com Cr após tratamento térmico

Abstract

Nesse trabalho foram estudadas as propriedades estruturais, vibracionais e hiperfinas de nanopartículas de SnO2 dopadas com Cr em porcentagens de 0% a 30%, sintetizadas pelo método de precursores poliméricos. Os resultados obtidos por espectroscopia de energia dispersiva (EDS) evidenciam a presença de Cr nas porcentagens nominais. A análise dos difratogramas de raios X (DRX) das amostras, como preparadas, mostra a presença de uma fase em todas as amostras que corresponde à estrutura tipo rutilo. Esta fase permanece sendo única nas amostras tratadas termicamente, com exceção das amostras tratadas em temperaturas acima de 1050 oC para a amostra com 10% e 900 oC na amostra com 30%, nas quais se observou a formação da fase secundária Cr2O3. Os parâmetros de rede mostram uma diminuição linear para concentrações de Cr abaixo de 7%. Isto sugere que os íons de Cr entram na rede substituindo íons de Sn. Acima desta concentração, observa-se uma desaceleração na taxa de variação dos parâmetros de rede, o que foi assumido como sendo resultado da entrada tanto substitucional como intersticial de íons Cr na rede cristalina. O tamanho médio dos cristalitos mostra uma diminuição à medida que se incrementa a concentração de Cr. No entanto, após tratamento térmico, este tamanho médio mostra um crescimento proporcional à temperatura de tratamento. O tamanho médio foi corroborado por experimentos de microscopia eletrônica e a presença da fase secundária nas amostras tratadas termicamente a altas temperaturas também foi determinada através das medidas de microscopia eletrônica de alta resolução. Medidas de espectroscopia UV-Vis proporcionaram valores do gap de energia da matriz semicondutora. Os resultados indicam que esse gap decresce com o aumento da concentração de Cr nas amostras, excluindo efeitos quânticos associados ao tamanho nanométrico das partículas. Além disso, se observaram bandas de energia abaixo do gap as quais foram associadas a transições relacionadas com níveis de defeitos profundos provavelmente associados a defeitos como vacâncias de oxigênio ou transições intraiônicas dos íons Cr3+. Medidas de absorção no infravermelho proporcionaram informações consistentes com as obtidas de medidas de espectroscopia Raman, confirmando a formação da estrutura rutilo em todas as amostras. O modo mais intenso (A1g) mostrou um deslocamento para menores números de onda, o que foi associado ao efeito de liga produzido pela dopagem com Cr. Além disso, observaram-se modos adicionais os quais foram identificados com os modos Eu(3) -(TO), Eu(3)- (LO) e A2u-(TO). Estes modos ficam mais intensos ao aumentar-se a concentração de Cr. Acredita-se que estes modos fiquem Raman ativos devido às perturbações estruturais introduzidas pela dopagem. Também foi observado um modo localizado em ~860 cm-1 chamado de MCr, cuja intensidade aumenta com a concentração de Cr nas amostras. Enquanto que os modos Eu e A2u não sofrem modificações importantes após os tratamentos térmicos, o modo MCr mostra um enfraquecimento proporcional à temperatura de tratamento térmico. Este enfraquecimento sugere que o modo MCr seja Raman ativo devido à desordem estrutural provocada pela dopagem com Cr na região da superfície das partículas, já que ao aumentar-se a temperatura de tratamento, aumenta-se o tamanho das partículas e, por conseguinte, menor será a razão superfície/volume.Os resultados obtidos das medidas de espectroscopia Mössbauer sugerem que o ingresso do dopante aumenta a densidade eletrônica tipo-s. Este aumento está associado à substituição de íons Sn4+ por íons de menor valência (Cr3+), o que corrobora os resultados obtidos por DRX, espectroscopia Raman e UV-Vis. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The structural, vibrational and hyperfine properties of Cr-doped SnO2 nanoparticles with Cr content from 0 to 30% synthetized by a polymer precursor method have been studied in this work. Energy dispersive spectroscopy (EDS) results evidenced the presence of Cr compatible with the nominal percentage. The analysis of X-ray diffraction patterns (XRD) of as-prepared samples shows the presence of a phase in all samples which corresponds to the rutile-type structure. This phase remains the only one also for the thermally-treated samples, with exception of samples treated above 1050 oC for the 10% and 900 C for the 30% Cr-doped samples in which a secondary phase Cr2O3 has been observed. The lattice constants and consequently the unit cell volume show a linear decrease in the range of Cr concentration below 7%. This result suggests that the Cr ions enter the lattice by substituting Sn ions. Above that concentration, it is observed a reduction in the rate of the lattice constants, which was assumed to come due to the entrance of Cr ions into substitutional and interstitial sites of the crystalline structure. The mean crystallite size shows a decreasing tendency as the Cr concentration is increased. However, after the thermal treatment, the crystallite size shows a growing tendency which is proportional to the temperature of the treatment. The mean crystallite size has been corroborated by electronic microscopy and the presence of a secondary phase in the thermally-treated samples at high temperatures has also been determined by high resolution electron microscopy measurements. UV-Vis spectroscopy measurements have been used to determine the gap energy of the semiconducting matrix. Results indicate that the gap decreases with the increase of the Cr content and exclude the occurrence of quantum effects associated to the nanometer-size of the particles. Besides, it has been observed low-energy bands which have been associated to transitions of deep defects likely associated to oxygen vacancies or intra-ionic transitions of Cr3+ ions. Infrared absorption measurements provide results which are consistent with those obtained from Raman spectroscopy measurements, confirming the formation of the rutile-type structure in all samples. The most intense mode (A1g) shows a red-shift which was assigned to alloy effects produced by Cr doping. Besides, additional modes have been observed which are identified as the Eu(3) -(TO), Eu(3)- (LO) e A2u -(TO). The intensity of these modes increases as the Cr content is increased. It is believed that these modes become Raman active due to structural perturbations provoked by the doping. It has also been observed a mode localized at ~860 cm-1 called MCr whose intensity increases with the Cr content increase. Although the Eu e A2u modes do not show important modifications after the thermal treatment, the MCr mode shows a weakening proportional to the temperature of the treatment. This weakening suggests that the MCr mode becomes Raman active due to the structural disorder provoked by the Cr doping in the surface region of the particles, since the particle size grows as the temperature of treatment is increased; therefore, small surface/volume ratio we have. Mössbauer spectroscopy results suggest that the entrance of dopant increases the s-type electronic density. This increase is associated to the substitutions of Sn4+ ions by lower valence ions (Cr3+), which corroborates results obtained by XRD, Raman and UV-Vis spectroscopy.