EVOLUÇÃO DAS PROPRIEDADES ELÉTRICAS DE FILMES DE GO/RGO EM SUBSTRATO FLEXÍVEL OBTIDOS PELA TÉCNICA LIGHTSCRIBE
A. G. dos Anjos Júnior[1][2], L. G. Paterno[1], A. M. Ceschin[1]
[1] Universidade de Brasília – UnB; [2] Secretaria de Estado de Educação do Distrito
Federal. Universidade de Brasília – Faculdade de Tecnologia – Departamento de Engenharia Elétrica, Campus Darcy Ribeiro – Asa Norte CEP: 70904-970
Email: afonsoanjosjr@hotmail.com
RESUMO
Neste trabalho, filmes de GO foram confeccionados por casting sobre substrato de PET com óxido de estanho dopado com índio (ITO). Após secagem em atmosfera ambiente, os filmes passaram por ciclos de redução a laser sob diferentes potências. Imagens de microscopia eletrônica de varredura constatam a redução de GO em RGO. A evolução das propriedades elétricas dos filmes foi estudada por curvas I x V e voltametria cícllica CV em diferentes etapas de redução. Foi observado que conforme a dose de laser varia, porções diferentes do filme são reduzidas, tanto na superfície quanto na seção transversal, alterando suas propriedades elétricas ligadas ao acúmulo de cargas. Após vários ciclos de redução, constata-se perda de propriedade capacitiva e predominância de caráter resistivo. A superfície do filme totalmente reduzido possui características de um condutor ôhmico, enquanto o comportamento em corte transversal mostrado nas curvas I x V de blendas GO/RGO possui tendência exponencial. As curvas GCD mostram a estabilidade e confirmam o caráter capacitivo do dispositivo fabricado.
INTRODUÇÃO
Variações do óxido de grafeno (GO) tem sido amplamente explorada, pois filmes compósitos deste material podem apresentar propriedades elétricas superiores em dispositivos eletrônicos diversos, principalmente no armazenamento de energia (1–7). Materiais baseados em carbono, como nano tubos e grafeno, são frequentemente usados juntamente com nano partículas de óxidos metálicos e polímeros condutores para aplicações em dispositivos eletrônicos, como supercapacitores, pois possuem ciclos de carga e descarga estáveis e capacidade de armazenamento de energia superior em comparação a dispositivos convencionais (8–13).
Uma técnica utilizada para fazer a redução direta do GO é o uso da técnica LightScribe, pois permite a confecção de filmes de elevada condutividade elétrica, podendo assim serem utilizados diretamente como eletrodos sem a necessidade de ligantes ou coletores de corrente. A técnica LightScribe também se mostra eficiente em confeccionar dispositivos com excelentes atributos eletroquímicos sob alto estresse mecânico, salientando a perspectiva de se fabricar os dispositivos flexíveis (14).
Figura 1: Dispositivo flexível fabricado no Laboratório de Dispositivos e Circuitos Integrados LDCI-UnB.
A figura 1 mostra um dispositivo flexível fabricado neste trabalho, composto de substrato de PET com óxido de estanho dopado com índio (ITO), óxido de grafeno (GO) e óxido de grafeno reduzido (RGO). Após o processo de fabricação, análises da morfologia foram feitas por de microscopia eletrônica de varredura – MEV. As propriedades elétricas foram observadas por confecção de gráficos corrente versus tensão (curvas I vs V) e voltametria cíclica – CV.
MATERIAIS E MÉTODOS
O substrato de ITO utilizado neste trabalho foi adquirido da empresa americana Sigma-Aldrich, e possui referência de produto 639281-5EA. O GO utilizado neste trabalho foi manufaturado no laboratório de polímeros do Instituto de química da UnB (LabPol). Uma folha do GO fabricado pode ser observada por microscopia eletrônica de transmissão na figura 2 (a). O substrato foi cortado e apoiado sobre uma superfície de um DVD, onde foi feita a deposição de uma solução aquosa de GO na concentração de 0,94 g.l-1 onde, posteriormente, passou por processo de secagem
em temperatura ambiente. A figura 2 (b) mostra o filme depositado por casting em substrato de PET com ITO após secagem.
Figura 2: (a) TEM da folha de óxido de grafeno produzido no Labpol-UnB; (b) GO depositado por casting sobre substrato de PET com ITO;
Após a aplicação do laser sobre a amostra, uma verificação visual é realizada afim de constatação da redução do GO em RGO conforme ilustração 3(a). Em caso negativo, mais ciclos de redução a laser são promovidos. Foram feitas amostras com partes reduzidas (RGO) e não reduzidas (GO). Para caracterização morfológica, foi realizada microscopia eletrônica de varredura – MEV. Para a determinação de mudanças nas propriedades elétricas do material depositado após a aplicação do laser foram confeccionados gráficos de corrente versus tensão (curvas i vs V), voltametria cíclica – CV e curvas de carga e descarga – GCD.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A figura 3 (a) mostra uma região da amostra que parte do GO se transformou em RGO. Todo o filme foi exposto às mesmas condições de laser, porém no ato da deposição não há como garantir a uniformidade do filme, provocando tal efeito. A figura 3 (b) mostra GO que não sofreu redução. Já as figuras 3 (c) e 3 (d) mostram regiões onde GO se transformou em RGO pela ação óptica e termiônica do laser aplicado. Pode-se notar as trilhas onde ocorreram o bombardeamento de laser na figura 3 (c).
Figura 3: (a) fotografia com regiões de GO e RGO após aplicação do laser; (b) MEV do GO na região não reduzida; (c) e (d) MEV da região onde ocorreu a redução por laser, resultando em RGO.
(a) (b)
O gráfico mostrado na figura 4 (a) releva o comportamento ôhmico da amostra de RGO obtido por lightscribe ao se aplicar tensão apenas no filme, o caráter isolante das porções de GO que não foram reduzidas e o comportamento de filme de GO/RGO sobre ITO em corte transversal, que também pode ser observada na figura 4 (b). Filmes onde não se obteve completa redução, ou seja, pouca exposição ao laser aplicado, possuem capacitância superior aos filmes completamente reduzidos. Isso pode ser observado na comparação das figuras 4 (c) e 4 (d). Pode-se dizer que ilhas capacitivas entre GO e RGO foram criadas ao longo do filme durante a exposição, que se polarizam quando submetidas à uma diferença de potencial. Variando a taxa de varredura do laser sobre a amostra pode-se obter dispositivos com características distintas e que possuam as respostas elétricas de interesse.
Figura 4: (a) curva i vs V para GO, RGO e ITO-GO/RGO. Pode-se verificar que o GO é isolante (curva vermelha) e que, após processo de redução por laser, o mesmo passa a conduzir (curva preta), com característica de
condutor ôhmico; (b) Comportamento do filme GO/RGO sobre ITO em corte transversal; (c) Gráfico da capacitância vs frequência da amostra exposta a vários ciclos de redução. (d) Gráfico da capacitância vs
(a) (b)
As curvas CV da figura 5 mostram a diferença entre amostras que passaram por diferentes ciclos de redução por laser. Podemos observar na 5 (b) um estreitamento da curva em comparação à 5(a), indicando um menor acúmulo de cargas na amostra que foi submetida a mais ciclos de redução, ou seja, as características capacitivas do dispositivo foram reduzidas. As capacitâncias específicas médias dos dispositivos são 43,90 mF.g-1 e 0,76 mF.g-1 após 3 e 6 ciclos de redução, respectivamente. As
capacitâncias por unidade de área dos dispositivos após 3 e 6 ciclos são respectivamente 88,97 µF.cm-2 e 1,05 µF.cm-2. Elas são calculadas por:
(A)
(B)
onde: i = corrente; m = massa do filme; v = taxa de varredura; ΔV = janela de potencial; Δt = tempo; A = área de superfície.
Figura 5: Curvas CV de dispositivos com taxa de varredura de 50 até 400 mV.s-1, com janela de potencial
variando de 0 até 0,5 V para (a) após 3 ciclos de redução de GO e (b) após 6 ciclos de redução de GO. Pode-se notar que conforme aumenta-se o tempo de interação do laser, menor é o acúmulo de cargas no dispositivo. Tal
efeito é causado pela diminuição das pseudocapacitâncias entre GO-RGO no filme.
A curva GCD sob diferentes densidades de corrente mostrada na figura 6 revela um comportamento triangular no processo de carga e descarga do dispositivo fabricado desde 0 até 0,5 V, confirmando a característica capacitiva e estável do dispositivo.
(a) (b)
𝐶𝐶
𝑆𝑆=
𝑚𝑚𝑚𝑚∆𝑖𝑖∫ 𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝐶𝐶
𝐴𝐴=
𝐴𝐴∆𝑖𝑖𝑖𝑖∆𝑡𝑡Figura 6: Curva GCD com diferentes densidades de corrente, característica do dispositivo composto por blendas GO-RGO.
CONCLUSÃO
Neste trabalho foi utilizada a técnica lightscribe para fazer a redução de GO em RGO. Um dispositivo flexível e com características capacitivas foi confeccionado e pode-se observar diferenças no comportamento elétrico entre filmes que passaram por diferentes ciclos de redução a laser, formando filmes com blendas capacitivas de GO-RGO. Conforme aumenta-se a interação entre o laser-amostra, diminui-se a densidade das blendas no filme e a capacitância do dispositivo, fato comprovado pela análise de voltametria cíclica e por curvas de capacitância versus frequência. A estabilidade do dispositivo foi constatada por cronopotenciometria. A técnica lightscribe pode ser utilizada para confecção de dispositivos eletronicamente estáveis de características diversas, abrangendo uma variedade de aplicações.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o suporte financeiro recebido durante o desenvolvimento deste trabalho da SEEDF, CAPES, CNPq e FAPDF. Os autores também agradecem ao Laboratório de Dispositivos e Circuitos Integrados (LDCI), ao Laboratório de Pesquisa em Polímeros (LabPol), ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas Eletrônicos e Automação (PGEA) e ao Decanato de Pesquisa e Pós-graduação (DPP) da Universidade de Brasília (UnB).
REFERÊNCIAS
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EVOLUTION OF ELECTRICAL PROPERTIES OF GO / RGO FILMS IN FLEXIBLE SUBSTRATE OBTAINED BY THE LIGHTSCRIBE TECHNIQUE
A. G. dos Anjos Júnior[1][3], L. G. Paterno[2], A. M. Ceschin[1]
[1] University of Brasília – UnB; [3] Secretary of State for Education of the Federal
District. Universidade de Brasília – Faculdade de Tecnologia – Departamento de Engenharia Elétrica, Campus Darcy Ribeiro – Asa Norte CEP: 70904-970
Email: afonsoanjosjr@hotmail.com
In the present work, films were made by casting graphene oxide (GO) on a PET substrate covered with índium doped tin oxide (ITO). After drying in ambient conditions, the films are submitted to laser reduction cycles employing different powers. Scanning electron microscopy images demonstrate the reduction of GO to RGO. The evolution of the electric properties of the films was studied by means of I x V curves and cyclic voltammetry in different stages of reduction. It was observed that as the laser dose varies, different portions of the film are reduced, both at the surface and along the cross section, leading to a change of electrical properties related to the accumulation of charges. After several cycles of reduction, a loss of capacitive and a predominance of resistive behavior was obtained. The surface of the fully reduced film has characteristics of an ohmic conductor, while the cross-sectional behavior shown in the I x V curves of GO / RGO blends has an exponential trend. GCD curves show stability and confirm the capacitive character of the fabricated device.
