1-Acadêmico do curso de Física de Materiais 2-Orientador
MEDIDAS DE PROPRIEDADES TÉRMICAS E ÓTICAS EM VIDROS
DOPADOS COM NANOCRISTAIS SEMICONDUTORES
Mychel Gonçalves Silva1
Instituto de Física de Uberlândia, Universidade Federal de Uberlândia, Av. Engenheiro Diniz nº1178, Uberlândia, CEP 38.400-902
mychelgs@gmail.com
Djalmir Nestor Messias2
Nome da instituição e endereço dnmessias@infis.ufu.br
Resumo: Neste trabalho aplicamos a técnica de lente térmica para a determinação das propriedades fototérmicas de amostras vítreas transparentes. Em sua maioria as amostras são dopadas com diferentes concentrações de nanocristais de PbS, Mg,Fe e Co, sendo obtidas através de duas rota diferentes de sintetização.. Nossos estudos indicam que apesar das diferentes rotas usadas, as propriedades fototérmicas permanecem razoavelmente inalteradas.
Palavras-chave: condutividade térmica, lente térmica, difusividade térmica
1. INTRODUÇÃO
Um dos grandes interesses em pesquisa de novos materiais atualmente é a produção de sistemas nanoestruturados que apresentem propriedades físicas desejadas para aplicações tecnológicas e que sejam de baixo custo de produção. Entre os materiais que satisfazem essas necessidades estão os vidros dopados com pontos quânticos (Dantas, Qu e Morais 2002).
Os vidros dopados com pontos quânticos semicondutores são interessantes no estudo das propriedades físicas de estruturas de baixa dimensionalidade e de suas transições ópticas de elétrons confinados quanticamente (Andreev e Lipovskii, 1999). Com o surgimento dos vidros dopados com nanocristais semicondutores, os sistemas de comunicações baseados em fibras ópticas que antes possuíam todo o processo de amplificação e processamento de sinais ópticos realizados eletronicamente, passam a amplificar e processar os sinais ópticos através do uso de dispositivos totalmente ópticos, onde que o uso destes dispositivos aumenta consideravelmente a qualidade e velocidade de transmissão de sinais.
As primeiras evidências da existência de nanocristais em vidros submetido a tratamentos térmicos foram dadas por Rocksby por volta de 1930 (Woggon, 1996). Desde a segunda metade do século XX companhias como a Corning Glass Industries, Schott Optical Glass, Hoya e Toshiba, utilizam vidros dopados com pontos quânticos (Silva, 2004). Embora o potencial dos Vidros Dopados com Semicondutores (VDS) para aplicações em dispositivos ópticos seja um assunto bastante abordado em diversos artigos, porém as pesquisas ainda estão voltadas na direção de uma etapa mais primária, onde o objetivo maior é a compreensão da física envolvida neste tipo de material (Tsuda, 1994).
Os pontos quânticos de PbS estudados neste trabalho foram crescidos no Laboratório de Novos Materiais e Isolantes (LNMIS) – UFU.(Paula, 2006)
PIBIC-UFU, CNPq & FAPEMIG Universidade Federal de Uberlândia Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação DIRETORIA DE PESQUISA
2. TEORIA
2.1. A técnica de lente térmica (LT)
Para caracterização fototérmica das amostras usamos a técnica de Lente Térmica (LT) na configuração de duplo feixe e modo descasado, para determinar com grande precisão a difusividade térmica.
O arranjo experimental da técnica de LT no modo descasado é constituído por dois feixes de laser de modo Gaussiano TEM00. Um dos feixes (feixe de excitação) é utilizado para provocar a LT e o outro (feixe de prova), de menor intensidade, para provar a LT formada. Dependendo das propriedades ópticas do material estudado, o feixe de prova sofre uma variação na sua frente de onda quando a LT é formada, resultando em uma expansão radial do feixe (quando ds/dT < 0) ou uma focalização (quando ds/dT > 0). Medindo a variação na intensidade do centro do feixe de prova no campo distante, as propriedades termo-ópticas de materiais
transparentes podem ser determinadas.
Na figura 2 podemos ver o aparato experimental da técnica de LT no modo descasado. Em nossas medidas utilizamos como fonte de excitação um laser Argônioem 457nm. Como feixe de prova foi usado um laser de HeNe em 632,8nm de baixa intensidade. O feixe de excitação foi focalizado por uma lente convergente de foco ~ 20cm e a amostra foi posicionada na sua posição focal. O feixe de prova foi focalizado por uma lente convergente de foco ~ 20cm e de forma que a sua posição focal ficasse focalizado por uma distância de 8cm do foco do feixe de excitação.
Figura 1 Aparato experimental utilizado para as medidas de LT. Aqui L representa lentes convergente, F filtros, E espelhos, D os detectores, Dv divisor de feixe e Ch chopper
No experimento de lente térmica na configuração descasada, considerando a variação de temperatura na amostra, a mudança de fase do laser de prova ao passar pela lente térmica, e a teoria de difração de Fresnel, a intensidade do laser de prova pode ser expressa como (Lima et all, 2000),(Pilla, 2004): 𝐼 𝑡 = 𝐼(0) 1 −𝜃2𝑡𝑎𝑛−1 2𝑚𝑉 1+2𝑚 2+𝑉2 𝜏𝑐 2𝑡+1+2𝑚 +𝑉2 2 (1) onde L-2 F-1 F-3 Pinhole D-2 Amostra Ch He-Ne F-2 D-1 Trigger Sinal L-1 E-1 E-3 E-2 E-4 E-5 Laser de excitação Osciloscópio digital
2 𝑚 = 𝑤𝐼𝑝 𝑤𝑒 2 ; 𝑥 =𝑍1 𝑍𝑐; 𝑡𝑐 = 𝑤𝑒2 4𝐷 e 𝜃 = 𝑃𝑒𝐴𝑒𝑙𝑒𝑓 𝐾𝜆𝑝 𝑑𝑠 𝑑𝑇
Onde 𝑚 = 𝑤𝑝 𝑤𝑒 2 , wp e we são respectivamente, os raios focais do feixe de prova e de excitação na amostra, 𝑉 = 𝑧1 , z1𝑧0 é a distância entre a amostra e a fonte e a cintura do feixe de
prova, z0 é o comprimento de Rayleigh do feixe de prova, e I(0) é a intensidade no eixo para t ou θ igual a zero, τc é o tempo característico de difusão, dado por:
𝜏𝑐 = 𝑤𝑒2 4𝐷 (2)
Onde 𝐷 = 𝐾 𝜌𝐶 é difusividade térmica (cm2/s), K é a condutividade térmica (Js-1cm-1K-1), ρ é a densidade (g/cm3
) e c é o calor específico (J/gK).
A diferença de fase no feixe de prova causado pelo feixe de excitação para r=0 e 𝑟 = 2𝑤𝑒,
sendo 𝐿𝑒𝑓𝑒𝑡𝑖𝑣𝑜 = 1−𝑒𝐴−𝐴 𝑒𝐿
𝑒 a espessura efetiva, L (cm) a espessura da amostra, e Ae (cm -1
) é o coeficiente de absorção da amostra. Na figura 1 temos um esquema de montagem de lente térmica com feixes de prova e de excitação.
Na figura 2 abaixo, temos a amostra no foco de ambos os feixes, de excitação e de prova.
Figura 2 Esquema de Lente Térmica com feixe de excitação e feixe de prova
3. CONFECÇÃO DAS AMOSTRAS
Os nanocristais, também conhecidos como pontos quânticos (PQ), foram sintetizados em vidros à base de óxidos, a partir de duas metodologias distintas. A matriz vítrea hospedeira foi SNAB (SiO2-Na2CO3-AlO2-B2O3). Estas amostras foram dopadas com diferentes concentrações de PbS e com Mg, Fe e Co. Submeteu-se os vidros dopados a tratamentos térmicos apropriados simples e duplos, para o crescimento de pontos quânticos de PbS provenientes das diferentes dopagens. Esses tratamentos térmicos ocorreram a uma temperatura constante, dentro da faixa de temperatura de transição vítrea (Tg) e de fusão (Tf), por intervalos de tempos crescentes. A temperatura e o tempo de tratamento térmico influenciam o tamanho e a dispersão dos tamaonhos dos pontos quânticos na matriz vítrea. Procurou-se produzir estruturas nanocristalinas com menores tamanhos e dispersão possíveis.
4. MONTAGEM EXPERIMENTAL 4.1. Montagem da Lente Térmica
A montagem feita, tem como objetivo a medida da lente térmica resolvida no tempo, demonstrada na figura 1.
Foi utilizado um chopper mecânico após o feixe do laser de excitação para induzir um sinal de onda quadrada para que seja observado um sinal transiente provocado pela variação da intensidade incidente na amostra; para obtenção do sinal proveniente do feixe de prova que atravessa a amostra sobre a área onde o feixe de excitação incide, é utilizado um fotodiodo que é sincronizado pelo sinal do chopper. Os sinais são aquisicionados utilizando uma placa de aquisição da National Instruments PCI-6251, com um programa para analise do sinal, feito sobre a linguagem LabView.
Para uma familiarização com os procedimento no laboratório, montamos a técnica de medida de cintura de feixe de um laser, aprendendo a manejar os materiais e também a correta utilização do laser e de ajuste do caminho ótico durante o experimento. Foi utilizado para esse processo uma amostra de chá preto.
As amostras utilizadas são vidros SNAB dopadas com diferentes quantidades de PbS, Mn, Fe2O3 e Co2O3 com diferentes tratamento térmico, fabricadas pelo Laboratório de Novos Materiais Isolantes e Semicondutores (LNMIS), como segue na tabela 1:
Tabela 1 Dopagem do vidro SNAB
Amostra SNAB + X% PbS 10PbS10C X=1,0; 550ºC/10h 10PbS120* X=1,0; 490ºC/48h+550/120min 10PbS2C X=1,0; 550ºC/2h 10PbS30* X=1,0; 490ºC/48h+550/30min 10PbS60* X=1,0; 490ºC/48h+550/60min 10PbS6C X=1,0; 550ºC/6h 10PbS90* X=1,0; 48ºC/48h+550/90min 20PbS10B X=2,0; 530ºC/10h 20PbS2B X=2,0; 530ºC/2h 20PbS4B X=1,0; 530ºC/4h 20PbS8B X=1,0; 530ºC/8h SB15PbS6 X=1,5; 550ºC/6h SB20PbS6 X=2,0; 550ºC/6h SNAB +0.1Mg+ +0.1Mg
4 SNAB +1.0Pbs+ +1.0Pbs
SNAB +1.5Pbs+ +1.5Pbs SNAB +5.0Fe2O3+ +5.0Fe2O3
* Vidros com processos de tratamento térmico duplo +
Amostram sem PQ
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1. Lente Térmica
O sinal transiente de LT para o 10PbS10C é mostrado na figura 3 como exemplo, pois o formato típico de sinal é o mesmo para as demais amostras.
Através da regressão linear utilizando a (1), obtemos o valor de τc, que para o vidro 10PbS10C é τc =(0,0017±0,0008), utilizando então a relação (2), obtemos os valores da difusividade.
Figura 3 Sinal típico transiente de LT para SNAB 10PbS10C. O ajuste dos pontos experimentais foi feito com a equação (1).
Na tabela 2, esta disposto os valores da disfusividade térmica, a relação da energia absorvida e transformada em calor na amostra (θ /Pe Ae Lefetiva), e a absorção.
Através da tabela podemos observa uma pequena variação do valor da difusividade térmica, em torno do valor médio de 0,00302 (cm2/s), mostrando a pouca influencia dos dopantes sobre a difusividade do material.
O valor da absorção é fortemente influenciado pela concentração de dopante, e também pelo processo térmico utilizado, demonstrando a importância de todo o processo de fabricação do vidro.
Tabela 2: Resultados das propriedades térmicas usando lente térmica
Amostras Difusividade 10-3 (cm2/s) (cm2 /s) θ/PeAeLefetiva *Absorção (cm-1) 10PbS10C 2.47 0,95989 21,59 10PbS120 3.27 2,22741 17,84
10PbS2C 2.08 1,38627 8,2 10PbS30 3.62 1,96115 22,01 10PbS60 3.7 2,63605 23 10PbS6C 3.77 1,48493 24,89 10PbS90 3.42 2,95901 23,68 20PbS10B 1.42 2,37485 12,54 20PbS2B 3.14 2,38919 5,55 20PbS4B 3.14 3,02563 14,08 20PbS8B 2.61 0,65051 5,63 SB15PbS6 5.9 1,55247 18,33 SB20PbS6 3.77 5,83495 18,19 SNAB +0.1Mg 3.81 4,10342 1,25 SNAB +1.0Pbs 3.4 0,18781 0,42 SNAB +1.5Pbs 3.44 2,19729 1,2 SNAB +5.0Fe2O3 3.6 4,94029 14,47
*Para obtenção da absorção, foi utilizado a equação de Beer-Lambert
3. AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer ao apoio financeiro do programa PIBIC/CNPq, fundamental para o desenvolvimento deste trabalho, e também ao Dr. Noélio Oliveira Dantas pelo apoio na confecção das amostras.
4. REFERÊNCIAS
ANDREEV, A. D.; LIPOVSKII, A. A.; Physical Review B volume 59, number23 (1999) 402-404.
DANTAS, N. O.; Qu, F.; MORAIS, P. C.; Anomalous Shift of the Recombination 131 Energy in Single Asymmetric Quantum Wells. Brazilian Journal of Physics, SBF, v. 32, n. 2A, p. 306-309, 2002.
S.M. Lima, J.A. Sampaio, T. Catunda, A.C. Bento, L.C.M. Miranda, M.L. Baesso, J. Non-Cryst. Solids 273 (2000) 215.
PAULA, P.M.N.de. Análises das Propriedades Ópticas, Morfológicas e Estruturais de Pontos Quânticos de PbS Sintetizados a Partir de Diferentes Concentrações de Dopantes.
Uberlândia. Dissertação(Mestrado em Física) – Universidade Federal de Uberlândia, 2006. 3-6p. V. Pilla, T. Catunda, S.M. Lima, A.N. Medina, M.L. Baesso, H.P. Jenssen, A. Cassanho, J. Opt. Soc. Am. B 21 (2004) 1784.
SILVA, R. S.; Dissertação Mestrado: Crescimento, Caracterização Óptica e Estrutural de Pontos Quânticos de PbS e PbSe em Matrizes Vítreas. Universidade Federal de Uberlândia – UFU, 2004.
J.G. Solé, L.E. Bausá and D. Jaque, An Introduction to the Optical Spectroscopy of Inorganic Solids: Wiley, (2005).
TSUDA, S.; Tese de Doutorado: Espectroscopia de Femtossegundos em Vidros Dopsdos com CdS xSe 1-x e Pontos Quânticos de CdTe. Instituto de Física Gleb Wataghin. Universidade Estadual de Campinas – Unicamp, 1994
WOGGON, U.; Optical Properties of Semiconductor Quantum Dots, Springer, 1996.
MEASUREMENT OF THERMAL AND OPTICS PROPERTIES OF
SEMICONDUCTOR NANOCRYSTAL DOPED GLASSES
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Mychel Gonçalves Silva
Instituto de Física de Uberlândia, Universidade Federal de Uberlândia, Av. Engenheiro Diniz nº1178, Uberlândia, CEP 38.400-902
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Djalmir Nestor Messias
Nome da instituição e endereço dnmessias@infis.ufu.br
Abstract: In this work we have used the thermal lens technique in order to determine the photothermal properties of transparent glass samples. The majority of them are doped with different concentration of PbS, Mg, Fe and Co, obtained from two different synthesis routes. Our work indicates that the photothermal properties remain practically unaltered despite the thermal treatment.
