Influência do substrato e do fluxo de oxigênio sobre a atividade fotocatalítica de filmes finos de óxido de nióbio

Abstract

Estudos recentes vêm destacando que os óxidos de nióbio são uma importante alternativa de fotocatalisador. Em consequência o número de estudos que investigam suas propriedades vem crescendo, em especial na última década. Para contribuir com esse tema, filmes finos de pentóxido de nióbio (Nb2O5) foram crescidos por magnetron sputtering reativo em substratos de Si, SiO2 e óxido de estanho dopado com flúor (FTO) usando diferentes atmosferas de oxigênio. O objetivo foi analisar a influência do fluxo de oxigênio, rugosidade, tipo de substrato (semicondutor, isolante e condutor) e a espessura nas propriedades fotocatalíticas dos filmes. Com as medidas de espalhamento Raman e difração de Raios-X foi possível verificar que os filmes não apresentam estrutura cristalina definida. Por meio de medidas UV-Vis foi possível verificar a espessura e o bandgap óptico das amostras. Para avaliar a rugosidade dos filmes foi utilizada a microscopia confocal e a microscopia de força atômica e nos testes de fotocatalise utilizou-se o corante azul de metileno. Os filmes depositados em FTO exibiram uma degradação do corante melhor que a SiO2 e o Si, possivelmente relacionada a sua maior rugosidade. Para testar essa hipótese os substratos de Si e SiO2 foram submetidos a um tratamento mecânico com lixa. As amostras depositadas nos substratos tratados exibiram uma melhora considerável na degradação do corante, comparadas ao Si e SiO2 com superfície polida. Comparando-se amostras de diferentes espessuras, observou-se um aumento na degradação do corante ao utilizar os filmes de 30 nm como fotocatalisadores. A hipótese principal para essa melhora na atividade é que a espessura de algumas dezenas de nanômetros possibilita a interação dos portadores, gerados no filme, com as bandas eletrônicas dos substratos, alterando o tempo de vida. O melhor catalisador foi obtido com a combinação do tratamento mecânico no substrato de Si com a espessura de 30 nm do filme.

Recent studies have highlighted that niobium oxides are an important alternative photocatalyst. Consequently, the number of studies investigating its properties has been increasing, especially in the last decade. To contribute to this theme, thin niobium pentoxide (Nb2O5) films were grown by reactive magnetron sputtering on Si, SiO2, and fluorine-doped tin oxide glass (FTO) substrates, using different oxygen atmospheres. The goal was to analyze the influence of the oxygen flux, roughness, type of substrate (semiconductor, insulator, and conductor), and thickness in the photocatalytic properties of the films. Raman scattering and X-ray diffraction measurements made it possible to verify that the films do not have a defined crystalline structure. Through optical characterizations, carried out by transmittance and reflectance in a UV-Vis technical, it was possible to verify the thickness and optical bandgap of the samples. Confocal microscopy and atomic force microscopy were used to evaluate the roughness of the films and to test the photocatalytic of the methylene blue dye was used. Films deposited on FTO exhibited better dye degradation than SiO2 and Si, possibly related to their high roughness. The Si and SiO2 substrates were submitted to a mechanical treatment with sandpaper to test this hypothesis. Samples deposited on sanded substrates exhibited considerable improvement in dye degradation compared to Si and SiO2 with polished surfaces. Comparing samples of different thicknesses, an increase in the degradation was observed in the 30 nm films. The main hypothesis for this improvement in activity is that the thickness of a few tens of nanometers makes it possible for the carriers generated in the film to interact with the electronic bands of the substrates, affecting the lifetime. The best catalyst was obtained by combining mechanical treatment on the Si substrate with a film thickness of 30 nm.