Study of functional materials through correlative advanced synchrotron light techniques

Autor(es)

Francisco Mateus Cirilo da Silva

• Tipo de documento: Dissertação de Mestrado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Instituto de Física Gleb Wataghin
• Data de defesa: 2020-04-22

Membros da banca

Helio Cesar Nogueira Tolentino; Harry Westfahl Junior; Mônica Alonso Cotta

• Orientador: Helio Cesar Nogueira Tolentino

Resumo

Neste trabalho foram estudados e implementados arranjos de multitécnicas avançadas de luz sincrotron que permitiram a realização de experimentos correlativos e simultâneos dentre os métodos de caracterização que estarão disponíveis na linha Carnaúba, a linha de nanoscopia de raios X prevista para o novo anel de armazenamento do LNLS, Sirius. Essas técnicas correlativas foram aplicadas a filmes finos de duas classes de materiais funcionais: perovskitas híbridas fotovoltaicas (PVSK) ($Cs¬_{x}A_{1-x}PbBr_{x}I_{1-x}$, onde $A$ é um grupo orgânico, metilamonio ou formolmidínio) e perovskitas piezoelétricas (PZT) ($PbZr_{x}Ti_{1-x}O_3$). Inicialmente foi estudada em caráter exploratório a técnica de imageamento por difração de raios-x coerentes (CDI) numa montagem experimental na linha de luz SXS do LNLS, o que não permitiu alcançar todo o potencial da técnica, mas foi essencial no entendimento dos principais parâmetros da difração coerente e testes de instrumentação científica para a linha Carnaúba, principalmente na faixa de raios-x intermediários ($3$keV). A caracterização da linha SXS quanto aos parâmetros de coerência, o entendimento dos parâmetros experimentais e as reconstruções das imagens por CDI, dentre as quais se encontram as perovskitas fotovoltaícas, são apresentadas de modo a elucidar os principais pontos a se considerar durante um experimento de difração coerente. Esses resultados indicaram a metodologia para projeto, comissionamento e utilização de uma linha de luz dedicada a técnica de CDI. Numa segunda etapa do trabalho, as perovskitas híbridas foram estudadas com respeito as suas respostas optoeletrônicas e estruturais em diferentes atmosferas (N$_2$ e ar) e quando submetidas a diferentes estímulos (raio-x e luz visível) através de experimentos simultâneos de difração de raios-x (XRD – x-ray diffraction) e luminescência óptica excitada por raios-x (XEOL – x-ray excited optical luminescence). Esse arranjo experimental simula os estudos combinados de nanodifração e XEOL previstos para a linha Carnaúba. Os resultados indicaram uma forte influência das condições ambientais nas respostas óticas e estruturais da amostra: na atmosfera de N$2$ a amostra é sempre mais resiliente, enquanto no ar ela tem uma degradação acentuada e distinta, em funçaõ do estímulo a que é submetida. As caracterizações ótica e estrutural simultâneas em condições ambientais controladas permitiram esclarecer que as variações na emissão óptica do material, comumente associadas a uma segregação química, ocorrem sem necessariamente transição estrutural da fase cúbica e/ou tetragonal para as estequiometrias estudadas, e nem mesmo segregação química, estando provavelmente associados incorporação de defeitos e/ou hidroxilas à estrutura, o que não havia sido descrito na literatura até o momento. Finalmente, com o intuito de elucidar a relação da estrutura cristalina com a estrutura ferroelétrica no vortex de PZT apresentamos os experimentos realizados na linha de luz NanoMax (sincrotron MaxIV, Suécia), que combinaram nanodifração e nanofluorescência para estudo dos vortexes ferroelétricos micrométricos do material em diferentes condições de campo elétrico. A nanofluorescência claramente indica uma segregação de titânio nas regiões centrais dos vortexes nas quais sinais de difração são menos aparentes. A nanodifração isoladamente mostra que existe gradiente de parâmetro de rede observável, com perfil diferente dependendo da região em que difrata. Essa observação do perfil de gradiente não seria alcançado com um experimento de difração convencional. Além disso foi verificada uma variação do gradiente do parâmetro de rede nas diferentes condições de campo elétrico aplicado e uma mudança na forma da região difratante. Os resultados preliminares apresentados aqui nos trazem informação relevante sobre os materiais funcionais e demonstram todo o potencial do uso correlacionado dessas técnicas de luz síncrotron (AU)

• Processo FAPESP: 18/08848-2 - Imageamento por Raios X coerentes aplicado ao estudo de materiais funcionais
• Beneficiário: Francisco Mateus Cirilo da Silva
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Mestrado