Eletrodeposição de filmes ultrafinos de cobalto/ferro sobre substratos de ouro/Electrodeposition of ultrafine cobalt/iron films on gold substrates

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Braz. J. of Develop.,Curitiba, v. 6, n. 8, p.63261-63267 aug. 2020. ISSN 2525-8761

Eletrodeposição de filmes ultrafinos de cobalto/ferro sobre substratos de ouro

Electrodeposition of ultrafine cobalt/iron films on gold substrates

DOI:10.34117/bjdv6n8-673

Recebimento dos originais:08/07/2020 Aceitação para publicação:31/08/2020

Morgana Welke

Graduanda em Licenciatura em Química

Instituição: Universidade Federal do Pampa; Bagé, Rio Grande do Sul Endereço: Rua Independência, 536, Novo Machado, RS, CEP: 98955-000

E-mail: morganawelke@gmail.com

André Gündel

Pós-Doutor pela École Polytechnique, EP, França

Instituição: Universidade Federal do Pampa; Bagé, Rio Grande do Sul

Endereço: Avenida Maria Anunciação Gomes de Godoy, 1650, Bairro Malafaia, Bagé, RS, CEP: 96413-170

E-mail: andregundel@unipampa.edu.br

RESUMO

O estudo de materiais magnéticos nanoestruturados produzidos por método eletroquímico, na forma de filmes finos e ultrafinos (espessuras inferiores a 10 nm) pode manifestar-se relevante na pesquisa de novas mídias de armazenagem de dados e de outras aplicações. Desta maneira, pelo Programa de Bolsas de Desenvolvimento Acadêmico na modalidade Iniciação à Pesquisa no projeto: Materiais magnéticos nanoestruturados: Produção e caracterização in-situ, da Universidade Federal Do Pampa - Campus Bagé, foram desenvolvidas, neste trabalho, atividades de sintetização e caracterização de filmes ultrafinos da liga dos metais ferro e cobalto, preparados por eletrodeposição de nanoestruturas magnéticas a base de soluções eletrolíticas, contendo diferentes níveis de acidez, em substratos de baixo custo de Au (111), obtidos a partir de compact discs comerciais. O objetivo do trabalho foi realizar estudos sobre o comportamento de cada metal quando submetidos a diferentes níveis de acidez das soluções eletrolíticas preparadas. Investigou-se portanto: a velocidade e o potencial mais apropriado para ocorrerem as deposições, efetuando-se assim, o estudo do tempo de duração de cada deposição e a análise de curvas de densidade de corrente e espessura, em função do tempo de deposição obtidas durante o processo.

Palavras-chave: eletrodeposição, materiais magnéticos, cobalto, ferro, substrato de ouro. ABSTRACT

The study of nanostructured magnetic materials produced by electrochemical method, in the form of thin and ultrafine films (thicknesses less than 10 nm) can be relevant in the research of new media for data storage and other applications. In this way, by the Academic Development Scholarship Program in the modality Initiation to Research in the project: Nanostructured magnetic materials: Production and characterization in-situ, of the Federal University of Pampa - Campus Bagé, were developed, in this work, activities of synthesis and characterization of ultrafine films of the alloy of

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the metals iron and cobalt, prepared by electrodeposition of magnetic nanostructures based on electrolytic solutions, containing different levels of acidity, in substrates of low cost of Au (111), obtained from commercial compact discs. The objective of the work was to perform studies on the behavior of each metal when submitted to different levels of acidity of the electrolytic solutions prepared. Therefore, it was investigated: the speed and the most appropriate potential for the deposition to occur, thus, the study of the duration time of each deposition and the analysis of curves of current density and thickness, according to the time of deposition obtained during the process.

Keywords: electrodeposition, magnetic materials, cobalt, iron, gold substrate

1 INTRODUÇÃO

Neste trabalho foram desenvolvidas atividades de sintetização e caracterização de filmes ultrafinos da liga dos metais ferro e cobalto, preparados por eletrodeposição de nanoestruturas magnéticas a base de soluções eletrolíticas, contendo diferentes níveis de acidez, em substratos de baixo custo de Au (111), obtidos a partir de compact discs comerciais (CDtrodos).

O trabalho teve como objetivo o estudo do comportamento de cada metal quando submetidos a diferentes níveis de acidez das soluções eletrolíticas. Investigou-se a mais adequada velocidade de deposição, o potencial mais apropriado para efetuar as deposições, também foi realizado o estudo do tempo de duração de cada deposição, análises de curvas de densidade de corrente e espessura, em função do tempo de deposição.

A principal motivação em desenvolver o estudo utilizando substratos de Au(111), a partir de compact discs, se deve ao fato de ser um substrato não corrosivo, de baixo custo e fácil fabricação, que combinado com materiais ferromagnéticos pode adquirir características relevantes na pesquisa de novas mídias de armazenagem de dados e de outras aplicações.

2 METODOLOGIA

As soluções eletrolíticas utilizadas tiveram como base uma solução branca (SB) normal, contendo 0,001 mol/L de H2SO4, 0,01 mol/L de K2SO4 e 0,0001 mol/L de KCl. A solução branca

mais básica contém metade da concentração de ácido sulfúrico em sua composição. Nos testes com ferro e cobalto fez-se acréscimos de 0,005 mol/L de sulfato ferroso e sulfato de cobalto. Para fazer as diluições utilizou-se água destilada e deionizada.

Para a eletrodeposição dos filmes foi adotada a técnica de eletrodeposição potenciostática com um sistema de três eletrodos: um eletrodo de referência de Ag-AgCl, um fio de platina como contra-eletrodo e o CDtrodo de ouro como eletrodo de trabalho. O CDtrodo foi obtido através da remoção das camadas poliméricas do CD com uso de solução concentrada de ácido nítrico, segundo

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Richter (2001, p. 27). Todos os eletrodos foram imersos em uma célula eletroquímica, confeccionada com um béquer de vidro, que foi conectada a um potenciostato/galvanostato, e através de um software foi possível fazer o controle e obtenção dos dados.

Utilizou-se a técnica de voltametria cíclica, onde a corrente elétrica é medida durante a varredura de potencial, sendo possível identificar os potenciais de dissolução e deposição de cada metal, e também permite a construção de gráficos de espessura dos filmes depositados em função do tempo, resultando nas taxas de deposição. As espessuras são estimadas através da integração da área do pico de dissolução dos metais em cada solução, encontradas nos voltamogramas cíclicos. Juntamente com as curvas de dissolução foram analisadas curvas de densidade de corrente elétrica em função do tempo, que servirão de base para futuros estudos sobre as propriedades magnéticas dos filmes.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Na figura 1, é possível fazer uma comparação através dos voltamogramas cíclicos de duas diferentes soluções brancas: solução normal e mais básica, ou seja, com a metade da concentração de ácido sulfúrico. As duas soluções foram submetidas a um potencial de -1,18 V e uma velocidade de 0,05 V/s. Observase que o potencial de redução de hidrogênio é mais positivo, entre 0,80 V e -0,70 V, e que há uma diminuição na amplitude do pico na solução contendo metade da concentração de ácido padrão.

Figura 1. Voltamogramas cíclicos comparando uma solução branca normal e uma mais básica.

Na figura 2 estão apresentados voltamogramas cíclicos comparando a solução mais básica e a solução normal, com a adição de 0,005 mol/L de ferro e cobalto, em um potencial de -1,00 V e uma velocidade de 0,05 V/s. Nas duas curvas é possível observar os picos de deposição, entre -0,80

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V e -0,70 V, e dissolução, entre -0,50 V e -0,30 V, dos metais para as duas soluções. Na solução mais básica evidencia-se uma diminuição na densidade de corrente elétrica e redução da amplitude dos picos, devido a menor concentração de ácido sulfúrico. O estudo dos voltamogramas cíclicos serviu para estabelecer uma melhor taxa de deposição e uma faixa adequada de potenciais de deposição e dissolução.

Figura 2. Voltamogramas cíclicos comparando solução branca normal e mais básica com adição de cobalto e ferro.

Na figura 3 é possível compreender o caráter das diferentes curvas de espessura, em monocamadas atômicas (MC), em função do tempo de deposição, em segundos, comparando a solução normal contra a solução mais básica, no potencial de deposição de -0,95 V, utilizando a mesma molaridade de CoSO4 e FeSO4: 0,005 mol/L, nos tempos de 10, 20 e 30 segundos.

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As curvas foram elaboradas utilizando a integral do pico de dissolução dos voltamogramas cíclicos de cada solução: concentração normal de ácido e menor concentração de ácido. A integral corresponde a carga elétrica depositada durante o processo e que posteriormente foi convertida em espessura, usando a lei de Faraday, segundo Gündel (2002, p. 28). A partir destas curvas foi possível obter as taxas de deposição para cada solução, sendo: 0,061 MC/s para a solução mais básica e 0,21 MC/s para a solução normal.

A figura 4 mostra o comportamento das curvas frente à variação da densidade de corrente contra o tempo, para os tempos de 10, 20 e 30 segundos, utilizando as soluções normal e mais básica, com ferro e cobalto a 0,005 mol/L, no potencial de -0,95 V. Nota-se uma densidade de corrente mais positiva para a solução mais básica, em todos os tempos, que influencia na variação da espessura dos filmes, de cobalto e ferro, que são depositados nos substratos de ouro, de acordo com os resultados obtidos indicados na figura 3.

Figura 4. Curvas de densidade de corrente em função do tempo, com cobalto e ferro, para a solução branca normal e mais básica.

Na figura 5, encontram-se os picos de dissolução das soluções eletrolíticas normal e mais básica, que contém a mesma concentração de ferro e cobalto, 0,005 mol/L, velocidade de varredura de 0,05 V/s e potencial de -0,95 V, para um tempo de 10 segundos. A área do substrato de ouro utilizado para o teste com a solução normal foi de 0,084 cm², e para o teste com a solução mais básica, utilizou-se uma área de 0,18 cm².

Na curva da solução com menor concentração de ácido sulfúrico, percebe-se a formação de um segundo pico, à direita. Estima-se que a formação deste segundo pico refere-se a um

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favorecimento de algum dos dois metais, constatando a presença tanto de ferro como de cobalto no decorrer da dissolução.

Figura 5. Picos de dissolução da solução normal e da mais básica, com cobalto e ferro.

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Em virtude dos aspectos analisados, foi possível realizar o estabelecimento dos melhores padrões de deposição e fazer o estudo do comportamento de cada metal em função dos diferentes ensaios realizados com as múltiplas soluções eletrolíticas. Foram obtidos resultados pertinentes, demonstrados nos gráficos, referentes à taxa de deposição de cada metal, o tempo de deposição e os potenciais mais apropriados para os depósitos. Foi possível também, efetuar um bom controle de espessura dos filmes, uma melhor velocidade para a efetivação dos testes, como também averiguar o comportamento da densidade de corrente em função do tempo.

A partir das curvas de dissolução que apresentam picos duplos serão estimadas as espessuras de cada metal a partir do método de deconvolução, para obtenção das estequiometrias dos filmes depositados.

Para dar segmento ao projeto, pretende-se realizar a caracterização morfológica por microscopia de força atômica dos filmes produzidos, através das diferentes soluções eletrolíticas, tal como, verificar a influência do pH nas propriedades magnéticas. Pretende-se também efetuar a caracterização magnética in-situ nas configurações paralela e perpendicular, com foco nas propriedades magnéticas nos estágios iniciais de crescimento das nanoestruturas e também fazer o estudo das propriedades estruturais dos filmes por difratometria de raios-X.

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REFERÊNCIAS

GUNDEL, A. Estudo das propriedades magnéticas e estruturais de filmes finos e ultrafinos de Fe, Co e Ni/Au(111) produzidos por eletrodeposição. 141f. 2002. Tese de doutorado, IF-UFRGS, Porto Alegre, 2002

RICHTER, E. Desenvolvimento e aplicações de eletrodos de ouro confeccionados a partir de discos compactos graváveis (CD-Rs). 80f. 2001. Dissertação de mestrado, IQ-USP, São Paulo, 2001