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UNIVERSIDADE DE SA~OPAULO INSTITUTO DE FISICA DE sAo CARLOS PREPARA<;AOE CARAC'[ti.tl.ZA~AO DE FIt.MESFINOS.~~~tL PARA'DISrOSrflV()S .~.. ELETROCltO~~OS. : ,I; Marcelo Andnde MacW••:; Tese apresentada ao Instituto de Fisica de Sao. Carlos, Universidade de Sao Paulo para a obten~ao do titulo de Doutor em Ciencias Fisica Aplicada. Departamento de Fisica e Ciencia dos Materiais Sao Carlos - Sao Paulo 1994 firsc -

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UNIVERSIDADE DE SA~OPAULO

INSTITUTO DE FISICA DE sAo CARLOS

PREPARA<;AOE CARAC'[ti.tl.ZA~AODE FIt.MESFINOS.~~~tL

PARA'DISrOSrflV()S .~..ELETROCltO~~OS. : ,I;

Marcelo Andnde MacW••:;

Tese apresentada ao Instituto deFisica de Sao. Carlos, Universidadede Sao Paulo para a obten~ao dotitulo de Doutor em Ciencias FisicaAplicada.

Departamento de Fisica e Ciencia dos Materiais

Sao Carlos - Sao Paulo1994

firsc -

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I FSC Universidade de Saa PauloInstituta de Fisico de Saa Carlos Fone(0162) 72-6222

Fax (0162) 74-9151

Av. Dr. Carlos Botelho. 1465Caixa Postal 369CEP 13560-970 . Sao Carlos - SPBrasil

----__tl_,__~) __~Prof.Dr.Michel~~~:-A~rter

c0()~~?rDi~;tavio de Sousa Bulrtbes

I tPAJtflo P'J £l----- --------

~ C"e:- .fk. ;:r-.--e.. 1:.

?rC1.Dr.~iS Car~os Bar~Dsa

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"Buscai primeiro- 0 reino de Deus e a sua justi~a,

e tudo mais vos sera acrescentado. "

(Mateus 6,33)

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A minha esposa,

Ana Paula,que com amor e dedica~aoesteve ao meu lado duranteeste trabalho, incentivando-me e dando-me preciosassugestoes.

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A Jesus, meu Senhor e Salvador, que em todos os momentos esteve aomeu lado, dando-me for~as para seguir adiante.

Ao professor Michel Aegerter, pela orienta~ao segura e objetiva nodecorrer deste trabalbo.

Aos pesquisadores Juan Carlos Tonazzi e Bruno Valla e ao professorLuis Bulhoes, pelas valiosas discussoes e contribui~oes.

Aos professores Juan Carlos (pelas medidas de RBS - USP - Sao Paulo) eSandra Castro (pelas medidas de XPS - Unicamp - Campinas).

Aos estudantes Cacio Pagliuso, Leonardo e Luis Dall'Antonia, pela ajudana prepara~ao e analise de diversas amostras.

Aos tecnicos do grupo de materiais Claudio Kakuda, Geraldo Frigo, JorgeNovi, Marcelo da Silva, Marcos Semenzato e aos tecnicos das oficinas deeletronica, baixa temperatura, mecanica e 6tica, sem os quais este trabalbo naoteria sido possivel ser realizado.

As secretcirias Isabel Constantino e Maria Amalia Strassalano, peladisponibilidade e dedica~ao com que me atenderam quando recorri a elas.

A todos os professores, colegas e amigos do grupo de materiais, pelasdiscussoes, amizade e born ambiente de trabalbo.

A todos que, direta ou indiretamente, contribuiram para a realiza~ao destetrabalbo.

Ao CNPq, FINEP e FAPESP pelo financiamento.

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suMARIo

Lista de simbolos .. I

Lista de figuras III

Lista de tabelas VI

Resumo VII

Abstract VIII

1. INTRODUCA.O. 01

1.1 Referencias.... 05

2. OBJETIVO............................................................................................. 08

3. FaMES Frnos SOL-GEL................................. 10

3.1 Introdu~ao.................. .. . 10

3.2 Tecnicas para obten~ao de filmes 12

-, 0. 3.2.1 Tecnica "dip coating" 13

3 2 2 T' . ". ." 14•• ecnlca spm coatmg .

3.3 Filmes sol-gel para annazenamento de ions ..: :. 16

3.4 Filmes sol-gel condutores 20

3.4.1 Condutores eletronicos 20

3.4.2 Condutores ionicos 22

3.5 Filmes sol-gel eletrocromicos 24

3.6 Referencias...................................................................................... 27

4. PREPARACAo E CARACTERIZACAO DOS FaMES FrnoS............ 31

4.1 Introdu~ao.... . 31

4.2 Filmes de CeOrTi02 para annazenamento de ions 31

4.2.1 Prepara~ao do sol de CeOrTi02 31

4.2.1.1 Caracteristicas tisico-quimicas do sol de CeOrTi02'" 32

4.2.2 Prepara~ao dos filmes de CeOr TiO2 39

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4.2.3 Caracteriza~ao eletroquimica................................................... 40

4.2.3.1 Voltametria ciclica 41

4.2.3.2 Transmissao otica 48

4.2.3.3 Coeticiente de difusao 49

4.2.4 AnaIise de raio-x 51

4.2.5 AnaIise de calorimetria diferencial 55

4.2.6 AnaIise de RBS........................... 56

4.2.7 AnaIise de XPS . 60

4.3 Filmes condutores 63

4.3.1 Prepara~ao de tilmes condutores protonic os 64

4.3.1.1 Sol de Ti02 644.3.1.2 Poli-acetato de celulose 64

4.3.2 Prepara~ao de tilmes condutores de Li+ 65

4.4 Filmes eletrocromicos de W03 e Nb20S 65

4.4.1 Prepara~ao de filines de W03 65

'_.4.4.2 Prepara~ao de tilmes de Nb20S ...........................•.................. 66

4.5 Referencias 69

5. APLICA<;Ao: JANELAS ELETROCROMICAS.................................... 72

5.1 Introdu~ao....................................................................................... 72

5.2 Prepara~ao...... .. . . . . ... . ..... 72

5.3 Caracteriza~ao otico-eletroquimica................................................... 73

5.3.1 Janela com condutor de litio POE-LiN(CF3S02)2 73

5.3.2 Janela com condutor protonico poli-acetato de celulose 76

5.3.3 Janela com 0 condutor protonico sol de Ti02 77

5.4 Referencias 81

6. CONCLUSOES............... 82

6.1 Sol de Ce02- Ti02 82

6.2 Filme fino de CeOr Ti02 82

6.3 Sol e tilme de Nb20S 83

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6.4 Janelas eletrocromicas 83

7. SUGESTOES PARA TRABALHOS FUTUROS.................................... 84

APENDICE A - Tecnica de titulayao galvanostatica intermitente................ 85

Referencia 91

APENDICE B - Publicayoes referentes a este trabalho 92

B.l Artigos......... . 92

B.2 Resumos...................................................................... 94

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LISTA DE SiMBOLOS

A area da interface eletrodo/eletrolito

a parametro de reticulado

ABS absor~ao no ultra violeta

BE energia de liga~ao do eh~tron

c concentra~ao molar

D coeficiente de difusao quimico

DE dispositivo eletrocromico

e carga do eletron

ECS eletrodo de calomelano saturado

E energia do atomo incidente

E potencial eletrico

e taxa .de evapora~ao

F constante de Farady

g acelera~ao gravitacional

hv energia do foton

I densidade de corrente

10 pulso de corrente aplicado

k con stante

KE energia cinetica do eletron

I comprimento do caminho otico

L espessura do filme

Lo espessura inicial do filme

IDB massa do filme

MB peso atomico medio dos sitios ativos

M] massa do atomo incidente

M2 massa do atomo alvo

I

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NA ninnero de Avogrado

Q densidade de carga

t tempo

T transmissao 6tica

UV ultra violeta

v velocidade de mergulho

VM volume molar

ZA valencia da especie A que compoe 0 eletr6lito

Zi valencia da especie ique difunde na fase inicial do eletrodo

Zl ninnero atomico do atomo incidente

Z2 ninnero atomico do atomo alvo

a atomos de 4He

Ao mudan~a de estequiometria

AEs potencial no estado estacionano

AEt potencial no estado transiente

e auto valor de energia

e coeficiente de distin~ao molar

11 viscosidade da solu~ao

A. comprimento de onda

e angulo de Bragg

p densidade da solu~ao

p resistividade

Po densidade inicial da solu~ao

0' condutividade

't tempo de pulso

ro velocidade angular

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Figura 3.1 - Forma~ao da liga~ao quimica entre 0 filme e 0 substrato(Sakka e Yoko, 1992)........................................................... 11

Figura 3.2 - Procedimento da deposi~ao de uma solu~ao sobre um subs-trato utilizando alc6xidos metaIicos 12

Figura 3.3 - EstAgios da tecnica "dip-coating": (a) - (e) batelada; (f)continua (Scriven (1988)) 13

Figura 3.4 - Estagios da tecnica "spin-coating" (Bomside et al. (1987)).. 15

Figura 3.5 - Voltamograma ciclico de um filme xerogel de V205.1,8H20(Nabavi et al. (1989)) 18

Figura 3.6 - Voltamograma ciclico do filme de W03.nH20 em fun~aoda fun~ao da quantidade de agua (Judeinstein e Livage(1990)) 26

Figura 4.1 - Transmissao 6tica da solu~ao (NHJ2Ce(N03)6-etanol emfun~ao do comprimento de onda para tempos deenvelhecimento de 1,2, 3,4 e 5 dias..................................... 33

Figura 4.2 - Espectro de absor~ao do Ce4+ no UV nas concentra~oesde (a) 0.085 mM, (c) 0,25 mM e (e) 0,42 mM..................... 34

Figura 4.3 - Concentra~ao de Ce4+ versus tempo de envelhecimento dosol de CeOrTi02' (*) absor~ao UV e (0) titula~aopotenciometrica 35

Figura 4.4 - Espectro de absor~ao do sol de CeOrTi02 versus tempo deenvelhecimento para 0 e 33 horas 36

Figura 4.5 - Varia~aodo potencial versus volume de solu~ao titulante .... 37

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Figura 4.6 - Transmissao 6tica dos filmes de CeOrTi02' C·····) obtido a 0he (-) obtido a 30 h 40

Figura 4.7 - Densidade de carga inserida do Li+ em fun~ao do tempo deenvelhecimento no filme de CeOr Ti02 durante 0 300 cicIovoltametrico 42

Figura 4.8 - Voltametria ciclica do filme de CeOrTi02 a 10 mV/s 43

Figura 4.9 - Densidade de carga dos ions Li+ no filme CeOr Ti02durante 0 300 cicIo voltametrico em fun~ao da temperaturade densifica~ao ap6s 30 horas de envelhecimento do sol 44

Figura 4.10 - Densidade de carga dos ions Li+ no filme CeOr Ti02durante 0 300 cicIo voltametrico em fun~ao do tempo detratamento termico a 450 °C 45

Figura 4.11 - Densidade de carga inserida do ion Li+ no filme CeOrTi02em fun~ao do nfunero de camadas 46

Figura 4.12 - Densidade de carga inserida do filme de CeOr Ti02 emfun~ao do numero de ciclos voltametricos 47

Figura 4.13 - Transmissao 6tica do. sistema vidroIITO/Ce02-Ti02' (-)sem litio e C----) com litio 49

Figura 4.14 - Coeficiente de difusao CD) em fun~ao da mudan~a deestequiometria .6.0 ...•....... . . . . . . 51

Figura 4.15 - Difratogramas do p6 de CeOrTi02 53

Figura 4.16 - Varia~ao do tamanho dos graos de Ce02na dire~ao [220] .... 54

Figura 4.17 - Calorimetria diferencial do p6 de CeOrTi02 55

·Figura 4.18 - Esquema do processo de retro-espalhamento numa amostracom espessura L 57

Figura 4.19 - Espectro de RBS do filme fino de CeOrTi02 depositadosobre silicio cristalino 59

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Figura 4.20 - Perfil de profundidade em fun~ao da percentagem atomicado filme fino de CeOr Ti02 depositado sobre siliciocnstalmo 60

Figura 4.21 - Esquema tipico de urn espectrometro de eletrons 61

Figura 4.22 - Transmissao 6tica do filme de Nb20S sol-gel no estadotransparente (-) e no estado colorido (---) 67

Figura 5.1 - Resposta potenciostatica da janela eletrocromica comcondutor (a), onde (---) e transmissao 6tica a A= 750 Din e(-) resposta da corrente 73

Figura 5.2 - Resposta da janela com diferentes limites do degrau depotencial 74

Figura 5.3 - Voltametria ciclica opto-eletronica da janela com condutor(a) medida a 750 nm .. 75

Figura 5.4 - Resposta potenciostatica da janela com condutor (b);resposta da corrente (-) depois de 25 cicIos, (---) depois de400 cicIos e a transmissao 6tica a 750 nm 76

'-

Figura 5.5 - Tempo de resposta da janela simetrica para voltagem de ±0,8 V com periodo de 40 s para 0 29.3400 cicIo.................... 77

Figura 5.6 - Transmissao no infravermelho e visivel de urna janelacompletra com condutor (c) no estado transparente ecolorido. (-) 10 cicIo, (--..) 3600 cicIo 78

Figura 5.7 - Varia~ao da densidade de corrente para urna voltagem deonda quadrada (±1.5 V e periodo de 60 s). (- ) 10 cicIo,(....) 3600 cicio...................................................................... 79

Figura A.l - Esquema da cela galvanica. A interface eletr6lito/amostra ex=O. A espessura da amostra e L........................................... 85

Figura A.2 - Pulso de corrente na cela. ~t e a mudan~a do potencialdevido a 10, ~s e 0 novo potencial da cela 86

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Tabela 3.1 - Propriedades otimizadas do filme de ITO sol-gel paraaplica~oes em "displays" (a,c) e para sistemas de janelas(b)...... 21

Tabela 4.1 - Energiasde liga~ao (em eV) no filme fino de CeOrTi02 ..... 62

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Os dispositivos eletrocromicos permitem regular continuamente a reflexao

ou transmissao da energia radiante quando urna pequena voltagem e aplicada

nos seus eletrodos. Nos ultimos anos, 0 estudo destes dispositivos tern sido

intensificado, ao ponto de jei haver algumas aplica~oes industriais. °processo

sol-gel tem-se revelado promissor para obten~ao dos filmes finos que compoem

tais dispositivos.

Utilizando 0 processo sol-gel foram obtidos diversos filmes finos que

constituem estes dispositivos. Devido a escassez de publica~oes a respeito das

propriedades fisico-quimicas do contra eletrodo CeOr Ti02, este filme foi

estudado com maiores detalhes. Os estudos apontaram que a melhor resposta

opto-eletroquimica foi obtida com filme fino com espessura em tomo de 210 nm

com temperatura de densifica~ao de 500°C. Este filme fino apresentou urna

estab~dade eletroquimica acima de 2000 ciclos e coeficiente de difusao quimico

do ions Li+ em tomo de 4x10-12cm2/s. As medidas de espectroscopia foto-

eletronica de raio-x indicaram que tanto 0 cerio como 0 tit3nio se reduziram

quando os ions Li+ foram inseridos. A difra~ao de raio-x mostrou que a

estrutura e formada de pequenos cristalitos de Ce02 inseridos em urna matriz

amorfa de Ti02.

Foi feito tambem urn estudo com 0 filme fino de Nb20S, 0 qual

apresentou-se como urn excelente material eletrocromico devido a sua

reversibilidade e densidade 6tica devido a redu~ao no nUmerode oxida~ao.

Alguns dispositivos eletrocromicos de transmissao foram montados,

inclusive urn via processo sol-gel, 0 qual apresentou qualidades 6ticas

satisfat6rias, com transmissao em tomo de 60% para 0 estado transparente e em

tomo de 8% para 0 estado colorido (azul escuro) com A = 750 nm.

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An electrochromic device allows continuos control of the reflection or

transmission of radiant energy when a small voltage is applied at its electronic

conducting electrodes. In the last years, the study of such device has been

intensified, so that today some industrial applications are already

commercialized. The sol-gel process is quite promising for obtaining thin films

used in this device.

For this purpose, several thin films have been developed using this

process. Due to the lack of publications with regard to the physico-chemical

properties of CeOr Ti02, this film was studied in greater detail. This study

showed that the best opto-electrochemical response was obtained with a film

about 210 nm thick at a densification temperature of 500°C. This film

presented electrochemical stability for more than 2000 cycles and the chemical

diffusion coefficient ofLi+ ions was found to be of the order of 4xl0-12cm2/s.x-ray photoelectron spectroscopy showed that Ce and Ti were reduced when Li+

ions were inserted. The x-ray diffraction pattern indicated that the structure

consisted of small Ce02 crystallites inserted in an amorphous Ti02 matrix.

A study was also made on a thin film of Nb20S' which appeared as an

excellent electrochromic material due to its reversibility and high optical density

variation in the presence ofLi+ ions.

Some transmission electrochromic devices were made, including one

having all its layers prepared by the sol-gel process. This device showed a

satisfying optical quality, with transmission of about 60% in the bleached state

and about 8% in the colored state (dark blue) at A = 750 nm.

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CAPITULO 1

INTRODU~Ao

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o processo sol-gel e urn dos meios mais promissores para obten~ao de

filmes finos, nao s6 pelo baixo custo de produ~ao, mas sobretudo pela

possibilidade de urn controle rigoroso das propriedades morfol6gicas e 6ticas e

da obten~ao de filmes finos de grandes dimensoes. Por estes motivos, este

processo vem sendo cada vez mais empregado na obten~ao de filmes finos para

dispositivos eletrocromicos ("displays", janelas, 6culos e retrovisores).

,9s dispositivos eletrocromicos permitem regular a reflexao ou transmissao

da luz quando urna pequena voltagem e aplicada nos seus condutores

eletronicos. Urn tipico sistema feito de cinco filmes finos prensados entre dois

substratos de vieiroe apresentado na Figura 1.1.

- Condutor eletronico- Material eletrocromico

- Contra eletrodo- Condutor eletronico

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Em tais dispositivos tem-se dois condutores eletronicos, os quais sao

requeridos para estabelecer a distribui~ao do campo eletrico, urn filme fino

eletrocromico, urn condutor ionico e urn filme fino armazenador de ion H+ ou

Li+ (contra eletrodo). Quando urnapequena corrente e passada atraves do

dispositivo, os ions armazenados no contra eletrodo difundem atraves do filme

fino eletrocromico e mudam continuamente as propriedades 6ticas do

dispositivo. Quando os dois condutores eletronicos sao transparentes ha urna

mudan~a na transmissao 6tica, que pode ser aproveitado para realizar janelas ou

6culos eletrocromicos que permitem atenuar a transmissao da luz ambiente de

maneira continua e controlada; quando urn dos condutores eletronicos e urn

material refletivo (espelho), podem ser fabricados, por exemplo, retrovisores

com retlexao variavel e quando urn dos condutores eletronicos ou urn dos vidros

e opaco, tais sistemas po~em ser aproveitados como "displays". Estes

dispositivos tern urn tempo de resposta que pode variar de alguns segundos a

minutos e podem manter suas propriedades 6ticas por vanas horas quando a

voltage.me desligada (efeito mem6ria). Quando 0 processo e reversivel, 0 estado

original e obtido atraves da aplica~ao de urna voltagem reversa.

Nos Ultimos anos, 0 estudo de dispositivos eletrocromicos tern sido

intensificado. Jeiexiste aplica~ao em escala industrial destes sistemas: a indUstria

Donnelly nos Estados Unidos produz retrovisores eletrocromicos de seguran~a

que diminuem a retlexao da luz automaticamente quando urna luz alta incide nos

olhos do motorista (Lynam e Agrawal (1988)) e a industria Nikon no Japao

produz 6culos eletrocromicos que servem tanto para ambientes claros como

escuros, gra~as a urn sistema de baterias embutido na haste dos 6culos (Mizuno

et al. (1989)). Estes produtos sao obtidos pelo processo de evapora~ao. No

campo da arquitetura, ha a possibilidade da aplica~ao destes sistemas em janelas

eletrocromicas que reguiam a luminosidade e 0 calor para ambientes fechados,

diminuindo 0 consurno de energia gasta pelas lfunpadas e ar condicionados.

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CAPITULO 1 - INTRODUC;AO

Varios materiais inorg8.nicos tem sido propostos para cada tilme fino

especifico do dispositivo eletrocromico, como foi relatado em recentes artigos

de revisao por Lampert e Grandqvist (1990) e Agrawal et al.(1993). Atualmente,

os condutores eletronicos sao usualmente feitos do 6xido de indio e estanho

(1n203-SnOrITO) (Arfsten (1984)), de baixa resistividade eletrica.

° 6xido de tungstenio (W03) (Judeinstein e Livage (1989)), 6xido de

molibidemio (M003) (Donnadieu (1990)), 6xido de ni6bio (Nb20S) (Reichman e

Bard (1980)) sao conhecidos como materiais eletrocromicos cat6dicos, 06xido

de iridio (Ir02) (Hackwood et al. (1982)), 6xido de niquel (NiO) (Agrawal et al.

(1992)), hidr6xido de niquel (Ni(OH)2) (Lampert et al. (1985)) ~omo materiais

eletrocromicos an6dicos. °6xido de mtenio (Rh203) (Gottesfeld et al. (1980)) 'e

o 6xido de vanadio (V20S) (Talledo et al. (1990)) sao coloridos em ambos os

estados. °V20S, Ir02, 6xido de cerio (Ce02) (Baudry (1989)) e 6xido de cerio e

titanio (CeOrTi02) (Baudry et al. (1990)) tem sido propostos como contra

eletrodo, sendo que 0 CeOr Ti02 tem mostrado uma melhor cinetica de inser~ao

de Lit,.

Materiais semelhantes aos hidratados de 6xido de tantalo (Ta20S)

(Hajimoto et al. (1979)), 6xido de zirconio (zr02) (Hajimoto et al. (1979)),

6xido de silicio (Si02) (Sata et al. (1982)) e 6xido de titanio (Ti02) (Judeinstein

et al. (1988)) tem sido usados como condutores de H+, enquanto que 0 nitreto de

litio (Li3N) (Huggins (1977)), tluoreto alumirtato de litio (LiAlF4) (Oi e Miyauchi

(1981)), niobato(lIde litio (LiNb03) (Goldner et al. (1988)), titanato de litio

(LiTi03) (Goldner et al. (1988)) e silicato aluminato de litio (LiAlSi04)

(Raistrick et al. (1976)) tem sido propostos como condutores de Li+. Entretanto,

nenhum deles exibe alta condutividade ionica como a obtida com condutores

polimericos ou liquidos, os quais, ate 0 momento, sao os materiais preferidos

comercialmente. Segundo Agrawal et al.(1993) varios desses compostos foram

obtidos via processo sol-gel. Entretanto, vanos parametros fisico-quimicos ainda

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CAPITULO 1 - INTRODUC;AO

preClsam ser investigados, principalmente quando estes compostos esmo

conjugados no mesmo dispositivo eletrocromico.

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CAPiTULO 1 - INTRODUf;AO

AGRAWAL, A., HABffiI, H.R., AGRAWAL, R.K., ROBERTS, D.M.,POPWICH, R.C., LAMPERT, C.M., CRONIN, J.P. Thin Solid Films, v.221, p.239, 1992.

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CAPiTULO 1 - INTRODUC;AO

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CAPITULO 2

OBJETIVO

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Como exposto no Capitulo 1, 0 estudo de filmes finos para dispositivos

eletrocromicos obtidos via processo sol-gel e urn campo em aberto para

pesquisa. Este trabalho teve, pois, como objetivo 0 estudo dos seguintes tilmes

finos obtidos via processo sol-gel:

·°contra eletrodo de 6xido de cerio e titanio (CeOr Ti02);

• Os eletrocromicos de 6xido de tungstenio (W03) e 6xido de

ni6bio (Nb20S);

• 0 condutor ionico de 6xido de titanio (Ti02).

° tilme fino de CeOr Ti02 foi 0 principal objeto de estudo deste

trabalho, urna vez que pouco se havia publicado a respeito de suas propriedades

:tisico-quimicas.Buscando a otimiza~ao deste tilme fino, estudou-se a evolu~ao

cinetica do sol de CeOr Ti02, a intluencia do substrato, temperatura de

densitica~ao, niunero de camadas (espessura), coeticiente de difusao, perfil de

profundidade e concentra~ao do Ce, Ti e 02, estabilidade eletroquimica e

transmissao 6tica.

Os demais tilmes finos foram obtidos com 0 intuito de viabilizar a

montagem de urn dispositivo eletrocromico totalmente via processo sol-gel.

° terceiro capitulo discorre sobre as propriedades :tisico-quimicas e a

importancia do processo sol-gel. Faz-se urna revisao da literatura das principais

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tecnicas utilizadas para obten~ao de filmes finos e dos compostos inorganicos

obtidos via processo sol-gel.

o quarto capitulo descreve as tecnicasexperimentais utilizadas neste

estudo. Sao apresentados os resultados e discussoes de cada filme fino obtido.

o quinto capitulo apresenta aplica~oes desses filmes finos a dispositivos

eletrocromicos de transmissao (DET) tais como janelas eletrocromicas.

o sexto capitulo mostra as principais conclusoes deste trabalho.

No setimo capitulo sao apresentadas sugestoes para trabalhos futuros.

o Apendice A apresenta a Tecnica de Titula~ao Galvanostiltica

Intermitente utilizada para determina~aodo coeficiente de difusao quimico.

No Apendice B sao relacionadas as publica~oes feitas em forma de

artigos e resumos originados deste trabalho.

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CAPITULO 3

FILMES FINDS SOL-GEL

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3.1 Introdu~io

o processo sol-gel para obten~ao de filmes finos consiste basicamente na

sintese de urna rede inorganica a partir de urna rea~ao quimica a baixas

temperaturas (geralmente a temperatura ambiente). Este processo envolve a

transi~ao de urna solu~ao em urn sol coloidal ou polimerico, 0 qual e depositado

sobre. urn substrato formando, assim, urn filme fino gel, 0 qual ap6s a

densifica~ao transforma-se em urn filme fino de 6xido.

Os alc6xidos metaIicos sao os precursores mciisusados para formar urna

rede inorg3nica devido a sua facilidade em reagir com a agua quando sao

dissolvidos num solvente hidratado. A hidr6lise, a desalcooliza~ao e a

condensa~ao de urn alc6xido M-OR (M = metal, 0 = oxigenio e R = radical

alquilo) produzem urna rede inorg3nica do tipo M-O-M (Mehrotra, 1992). Estes

processos podem ser representados de maneira bastante simplificada pelas

seguintes equa~5es:

M - OR+BzO~ M - OB +ROB i

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Em muitos casos, as rea~oes representadas pelas Equa~oes (3.1) a (3.3)

ocorrem simultaneamente, mas podem ser controladas pela adi~ao de

complexantes tais como a acetilacetona, pennitindo obter urn sol esmvel que

possa ser usado por urn tango tempo.

Quando 0 sol e aplicado sobre urn substrato, ocorre urna rea~ao com os

grupos OH OU H20 que estao sempre presentes na superficie do substrato. °sol

secani e formani urna cadeia inorgamca sobre 0 substrato (Equa~ao 3.3) que dara

origem a urn 6xido metalico ap6s a secagem. A liga~ao quimica da forma~ao do

fUme e representada esquematicamente na Figura 3.1, onde M' e 0 metal do

substrato.

~M~M------ Filrne 6xidoI Io 0

•Superficie do

substrato

Figura 3.1 - Formayao da ligayao quimica entre 0 filrne e 0 substrato (Sakka e Yoko,1992).

De acordo com Schroeder (1969), para se obter camadas homogeneas a

partir de solu~oes, e necessario que algumas condi~oes sejam satisfeitas:

l-Compostos iniciais com boa solubilidade que nao se cristalizem

durante a evapora~ao do solvente, pois a cristaliza~ao pode provocar quebras no

filme.

2-A superficie do substrato tern que estar suficienternente limpa com

detergente e 0 ambiente deve estar livre de poeira.

3-Adequada durabilidade da solu~ao.

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4-Transfonnabilidade do filme gel em uma camada de s6lido homogenea

(6x.ido)sem apresentar quebras e esbranqui~ados.

o procedimento simplificado da fonna~ao de uma camada de 6x.ido a

partir de uma mistura de alc6x.idosmetcllicose apresentada na Figura 3.2.

. Aquecimento em tome de 5000 C

".

Figura 3.2 - Procedimento da deposi~ao de urna solu~ao sobre urn substrato utilizandoalc6xidos met8licos.

Atraves de urna boa prepara~ao do sol de partida e urn adequado

tratamento tennico e possivel se ter urn controle sobre a rnorfologia e textura do

6x.ido que se deseja obter. Alern disto, 0 processo sol-gel permite hoje obter

filmes finos de grandes dimensoes (0,05 a 2 rn2) com custos similares aos

obtidos com os rnetodos rnais usuais de deposi~ao de filmes.

3.2 Tecnicas para obten~io de filmes

Varias tecnicas saD utilizadas para deposi~ao de camadas a partir de

solu~oes: "dip coating", "spin coating", pulveriza~ao, eletroforese e termoforese.

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As tecnicas "dip coating" e "spin coating" sao as mais usadas e sao brevemente

descritas a seguir:

3.2.1 Tecnica "dip coating"

Segundo Scriven (1988), a tecnica "dip coating" divide-se em dois tipos:

a tecnica continua e a tecnica pOTbatelada. A tecnica continua (Figura 3.3f)

consiste no mergulho de urna fita fina de grande comprimento que passa por urn

cilindro localizado dentro da solu~ao a uma velocjdade constante. 0 filme

forma-se na fita quando esta emerge da solu~ao. A tecnica por batelada e

dividida em cinco estagios (Figura 3.3a-3.3e): imersao, retirada, deposi~ab,

drenagem e evapora~ao. Os tres primeiros sao essencialmente sequenciais; 0

terceiro e 0 quarto sao realizados simultaneamente. A evapora~ao pode ocorrer

ao mesmo tempo que a deposi~ao e a drenagem. Os estagios de imersao e

retirada sao.feitos na mesma velocidade.

11

r'-(a) (b),- (c)

IMERSAO RETlRADA DEPOSI~AOEDRENAGEM

(e)

EVAPORA~AO

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Segundo Sakka e Yoko (1992), varios fatores afetam a espessura do tilme

depositado, tais como:

I-A viscosidade da solu~ao: quanto malOr a viscosidade, mcnor a

espessura do tilme.

2-A velocidade de retirada: a espessura cresce com 0 aumento da

velocidade, pois ela e diretamente proporcional a raiz quadrade da velocidade.

3-Temperatura e tempo de aquecimento: os tilmes geis sao porosos e

sinterizados quando aquecidos; consequentemente, a espessura do filme

decresce com 0 aurnento da temperatura e tempo de aquecimento.

A espessura do filme (L) e relacionada com a velocidade de mergulho (v)

atraves da equa~ao (Landau e Levich (1942)):

L=k(~;ronde 11 e a viscosidade da solu~ao, pea densidade da solu~ao, g e a acelera~ao

da gr~vidade eke uma constante. A Equa~ao (3.4) nao foi comprovada para os

tilmes utilizados neste trabalho.

3.2.2 Tecnica "spin coating"

Bomside et al. (1987) dividiram a tecnica "spin coating" em quatro

estagios, a saber: deposi~ao, "spin-up", "spin-off' e evapora~ao (Figura 3.4). Da

mesma maneira que na tecnica "dip coating", a evapora~ao geralmente

acompanha os outros estagios. Inicialmente urn excesso de liquido e depositado

sobre a superficie do substrato durante 0 estagio de deposi~ao. No estagio "spin-

up"; 0 liquido tlui radialmente para fora, devido a for~a centrifuga. No estagio

"spin-off', 0 excesso de liquido tlui para a periferia e abandona 0 substrato em

forma de gotas. A evapora~ao acontece como mecanismo primario de

diminui~ao da espessura do tilme.

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F=O=E=P=O=S=IC=A=O===

-{:ooF-JLro

SPIN-UP

+_00 _F-_r

00 00

1=======(0 _. 1=_1_1 _11_1_t ISPIN-OFF EVAPORACAO

Figura 3.4 - Estilgios da tecnica "spin-coating" (Bomside et al. (1987».

Emslie et al. (1958), desenvolveram urn modelo que fomece a espessura·

de urn"filmeuniforme durante 0 spin-off desprezando a taxa de evapora~ao:

onde Lo e a espessura inicial, t e 0 tempo, co e a velociade angular, 11 e a

viscosidade e pea densidade~ p e co sao tornados como constantes. Mais cedo

ou mais tarde, filmes que nao sao inicialmente uniformes tendem

monotonicamente para uniformidade, conforme a Equa~ao (3.5).

Meyerhofer (1978) elaborou urn modelo mais preciso que levasse em

conta a taxa de evapora~ao durante 0 processo de deposi~ao da camada,

separando os estagios de "spin-off' e evapora~ao. A espessura e 0 tempo

transcorrido sao dados por:

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onde pea massa do solvente vobltil por unidade de volume, Po 0 valor inicial e

"e" a taxa de evapora~ao.

Os fatores ja descritos para a tecnica "dip coating" que influenciam na

espessura da camada tambem sao vaIidos aqui.

Ambas as tecnicas tern sido empregadas com sucesso na obten~ao de

filmes sol-gel. No entanto, a tecnica "dip coating" tern uma grande vantagem em

rela~ao a tecnica "spin coating", pois ela pennite obter filmes de maiores

dimensoes.

3.3 FUmes sol-gel para armazenamento de ions

Em um dispositivo eletrocromico (DE) 0 filme annazenador de ions e

chamado de contra-eletrodo. Quando os ions sao inseridos na sua estrutura, 0

DE deve apresentar a maior transmissao ou reflexao 6tica possivel, desde que 0

filme eletrocromico fique colorido catodicamente. Os contra-eletrodos tambem

podem ficar coloridos anodicamente, pois nesta situa~ao, 0 material

eletrocromico estara tambem colorido.

Poucos filmes que servam para este fun foram obtidos via processo sol-

gel. Podemos citar 0 6xido de vanadio (V20S) (Yoshino et al.(1987), Nabavi et

al. (1989», 0 bronze de 6xido de vanadio (Nao.33V20S) (Pereira-Ramos et al.

(1988), Znaidi et al. (1989»,0 6xido de cerio (Ce02) (Stangar et al. (1992» e 0

6xido misto de cerio e titanio (CeOrTi02) (Baudry et al. (1990».

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° fHme de 6xido de vanadio (V205) e eletrocromico. Entretanto, a

mudan~a de cor no espectro 6tico entre 0 estado reduzido e oxidado nao e tao

grande quanta no 6xido de tungstenio (W03):

V205 +xLi+ +xe- <:>LixV205

(amarelo ) (verde)

Por este motivo, normalmente 0 V205 e usado como contra-eletrodo e nao

como material eletrocromico em urn DE. Nao e, porem, 0 contra-eletrodo ideal,

pois quando usado em conjun~ao com 0 W03, esta camada da urna colora~ao

amarela ao DE no estado transparente, reduzindo a sua transmissao ou reflexao

6tica. Por outro lado, como este filme tern mostrado urna boa reversibilidade e

capacidade de armazenamento de ions Li+, esta camada pode ser urna boa

altemativa de contra-eletrodo em DE (Livage et al. (1988)).

Yoshino et al. (1987) depositaram V205 via processo sol-gel utilizando

urn sol coloidal de acido polivanadico, enquanto que Nabavi et al. (1989) 0 fez

via urn sol coloidal obtido a partir de urn oxo-alc6xido de vanadio (VO(OAmt)3)

hidrolisado com excesso de agua (100 H20: Vanadio).

Neste Ultimo trabalho, 0 sol foi depositado sobre ITO (In203-Sil02) via

"spin coating". Uma camada amarela transparente com 0,5 J1Il1 de espessura foi

seca a temperatura ambiente produzindo 0 xerogel V205.1,8H20 em forma de

tiras separadas por moIeculas do solvente. A Figura 3.5 apresenta urna

voltametria ciclica do V205.1,8H20 em perclorato de Htio(LiCI04) e carbonato

de propileno (C4~03) a velocidade de 2mV/s. Dois picos sao observados na

inser~ao e extra~ao do Li+, os quais sao semelhantes aos encontrados no V205

cristalino obtido via "sputtering" (Cogan et al.(1989)), indicando que a inser~ao

do Li+ ocorre em sitios bem definidos e nao aleatoriamente como em 6xidos

amorfos. Contudo, quando a velocidade de varredura da voltametria ciclica

aumenta, os picos desaparecem progressivamente. Segundo Nabavi et a1.

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(1989), isto sugere que a difusAo do Li+ e detenninada pela velocidade de

varredura. A mudan~a de amarelo para verde e vice e versa, ocorreu em tomo de

1 s, consurnindo urna carga de 10 mC/cm2 e fomecendo urna densidade 6tica de

0,5 quando urna voltagem de + 2 V ou - 2 V foi aplicada, mostrando que 0

V205 possui urna rapida cinetica.

0.80.60.4

,-..... 0.2NeCo) 0.0-...<e -0.2'-"~

-0.4-0.6

-2 -1 0 1

E (V)

Figura 3.5 - Voltamograma ciclico de wn filme xerogel de V20s.1,8H20 a 2 mV/s

(Nabavi et al. (1989)).

Os trabalhos de Pereira-Ramos et al. (1988) e Znaidi et af. (1989)

apresentam urn metodo de obten~ao do filme bronze de 6xido de vanadio

(Nao.33V205)' Ele foi preparado pela acidifica~ao do NaV03, 0 qual gerou 0

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acido vanadico (~V 10028)' Ap6s a policondensa~ao este ultimo acido forma 0

V205.nH20. Este sol foi pulverizado sobre 0 substrato formando 0 filme

V205.I,6H20, que ap6s ser mergulhado em NaCI para intercala~ao do Na, foi

transformado em Nao.33V205 por tratamento termico entre 350°C e 550°C. Este

filme apresenta tilneis tridimensionais perpendiculares a superficie do substrato,

faCilitando a inser~ao de ions, urna vez que no V205 a inser~ao eletroquimica

provoca urna mudan~a na estrutura para que os ions inseridos sejam

acomodados entre as camadas.

Segundo Agrawal et al. (1993), tanto 0 Nao.33V205 como 0 V205 sao boas

alternativas como contra-eletrodo em DE.

Os filmes de Ce02 e CeOr Ti02 saD os mats promlssores contra-

eletrodos para DE, visto que a inser~ao de ions nas suas estruturas nao

provocam mudan~a de cor. Stangar et al. (1992) obtiveram 0 filme de Ce02

atraves de urn sol resultante da decomposi~ao termica do (NH4hCe(N03)6' Este

filme apresentou urna boa transmissao 6tica (-80%), boa reversibilidade

eletrQquimica para os ions Li+ e boa densidade de carga (-11 mC/cm2), mas uma

cinetica lenta.

Baudry et al. (1990) sintetizaram 0 filme de CeOrTi02 atraves de urn sol

preparado da mistura do nitrato de cerio amonia (<NH4)2Ce(N03)6) e

isoprop6xido de titanio (Ti(OPri)4) em etanol (C2H50H). °CeOr Ti02, alem de

ter as qualidades eletro-6ticas do Ce02, apresenta uma cinetica mais rapida

quanto a inser~ao de Li+. Ate 0 momento, nao foram relatados resultados sobre:

I-A influencia da composi~ao do sol.

2-A intluencia do nilmero de camadas.

3-A reversibilidade para urn nilmero grande de ciclos.

Essas e outras questoes serao analisadas neste trabalho no Capitulo 4.

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3.4 Filmes sol-gel condutores

Todo DE, de urn modo geral, e composto por tres condutores, sendo dois

eletronicos e urn ionico. Os condutores eletronicos tern a fun~ao de fazer 0

contato eletrico entre a DE e a fonte extema (bateria), enquanto que 0 condutor

ionico tern a fun~ao de unir 0 filme eletrocromico e 0 contra-eletrodo, fazendo

com que somente os ions migrem entre eles.

De acordo com Arfsten (1984), para que urn condutor eletronico seja

usado em urn DE com urn born desempenho, e necessario que este possua

algumas propriedades: alta reflexao no infra-vermelho, alta transmissao da

energia solar e da luz visivel, alta homogeneidade, boa adesao no substrato, alta

estabijidade contra arranhoes, longa estabilidade termica e baixo custo de"

produ~ao.

Em geral, sabe-se que a transmissao solar' e a refletividade do infra-

vermelho dependem da concentra~ao de transportadores de cargas livres, da

espessura do filme e da mobilidade do transportador de carga. Quando a

condutividade aurnenta, eresee a refletancia no infra-vermelho enquanto que a

transmitancia solar decresce, devido ao crescimento da absor~ao no filme. A

absor~ao na regiao do visivel e devida a densidade de transportadores de carga

livre e defeitos na rede. A transmissao na regiao do visivel pode ser maximizada

com :tilmes bastante finos, porem, a espessura nao pode ser abaixo de uma

espessura critica, pois, a refletividade no infra-vermelho decresce. Entretanto, e

necessario que 0 :tilme tenha mobilidade e condutividade altas para assegurar

apropriada refletividade.

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Segundo Arfsten (1984), as propriedades descritas acuna podem ser

alcan~adas quando 0 filme e obtido via processo sol-gel, desde que determinados

parametros sejam convenientemente controlados, tais como: estequiometria,

contamina~ao, impurezas, defeitos no filme, espessura dos filmes, trajet6ria de

cristaliza~ao e estrutura cristalina.

o mais usado condutor eletronico em DE e 0 ITO (Arfsten (1984), Arfsten

et al.(1984) e Takahashi et al. (1992)). Segundo Takahashi et al. (1992), vanos

materiais de partida podem ser usados no processo sol-gel, tais como: SalS,

acetilacetonatos e carboxilatos.

o metodo utilizado por Arfsten et al. (1984) nao foi descrito em detalhes.

Apenas foi relatado que as camadas de ITO foram obtidas a partir de unia

solu~ao contendo compostos reativos de indio (In) e estanho (Sn), que a

deposi~ao foi feita por "dip coating" e 0 tratamento foi realizado entre 400 e

500°C em atmosfera reduzida (N2, H2, O2 e H20). A Tabela 1 sumanza as

propriedades otimizadas dos fHmesde ITO obtido por este metodo.

Tabela 3.1 - Propriedades otimizadas do filme de ITO sol-gel para aplica~oes em'~lays" (a,c) e para sistemas de j_an_e_Ias_(b_). _

(a) (c) (b)

Espessura do filrne(run) 20-30 -80-100 270

Densidade de transportadores de earga (ern-3) 4x102o 5_6x102o 5_6x102o

Mobilidade (em 2V-IS-I) 15-20 60-70 35-40

Condutividade (n-Iern-I) 800-1200 5000-6000 3000-3500

Resisteneia de folba (nern-2) 500 -25 10

Fonte: Arfsten (1984).

Recentemente, Takahashi et al. (1992) conseguiram resultados tao bons

quanta os descritos na Tabela 3.1, atraves da estabiliza~ao do isoprop6xido de

estanho (Sn(OPri)4) com dietanolamina «HOCH2CH2)2NH) em isopropanol

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«CH3)2CHOH).°indio foi adicionado em forma de acetato para se obter 0 solfinal. Os filmes foram depositados por "dip coating" a 6 em/min. A

condutividade, a densidade e a mobilidade ficaram em tomo de 300 n-1cm-1,

9,IOx102ocm-3e 20,8 cm2V-1s-1,respectivamente.

Urn condutor ionico e urn eletr6lito que pode conduzir vanos tipos deions, tais como H+, Li+, Na+, K+, F-, Ag+ e outros. Em geral, em urn DE, os

condutores de ions H+ e Li+ saD os mais usados, pois eles tern urna maior

mobilidade. Dentre esses dois, 0 condutor de Li+ e 0 melhor, por causa da

corrosao que 0 H+causa nas camadas que compoem 0 DE.

Segundo Grandqvist (1993), saD cinco os requisitos para se ter urn born

condutor ionico:

I-Alta condutividade de ions, entre 10-4e 10-7 n-1cm-1, dependendo da

aplica~ao~

2-Condutividade eletronica menor do que 10-12 n-lcm-l~

3-Durabilidade por vanos ciclos eletroquimicos na temperatura de

opera~ao~

4-Boa aderencia com os materiais adjacentes~

5-Transparencia na faixa de opera~ao espectral, 350 nm :::;A,:::; 1500 nm,

aproximadamente.

A literatura sobre filmes condutores ionicos e bastante vasta, entretanto,

ha poucas publica~oes sobre filmes condutores ionicos sol-gel. Provavelmente

isto acontece devido a dificuldade para se montar sistemas s6lidos de multi-

camadas via sol-gel, pois, estes podem apresentar urna grande resistencia eletrica

entre camadas e problemas de aderencia entre elas.

Alguns condutores de H+ (AMINOSILS (Charbouillot et al. (1988), 6xido

de tftntalO-Ta205(Ling et al. (1986)) e 6xido de titamo-Ti02 (Judeinstein et al.

22

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(1988») e condutores de Li+ (niobato de litio-LiNb03 (Eichorst et ai. (1988),

Joshi et al. (1992) e Hirano e Kato (1989», tantalato de litio-LiTa03 (Hirano e

Kato (1989» e silicato alurninato de litio-Li20-Al203-Si02 (Ogasawara (1993»)

foram obtidos via processo sol-gel.

Judeinstein et ai. (1988) foram os primeiros a montar urn dispositivo

eletrocromico de transmissao (janela eletrocromica) totalmente sol-gel utilizando

como condutor protonico urn sol de Ti02. Este sol foi obtido a partir da mistura

do but6xido de titanio (Ti(OBun)4), acido acetico glacial (CH3COOH) e

glicerol (CH20HCH-OHCH20H); em seguida, antes da gelifica~ao, 0 sol foi

prensado entre 0 filme contra-eletrodo e 0 eletrocromico. Foi encontrada urna

alta condutividade protonica a temperatura ambiente (a == 10-SQ-1cm-f).

Infelizmente a hidr61ise e a condensa~ao do sol de Ti02 continuaram mesmo

ap6s 0 fechamento do DE, provocando a libera~ao de produtos vohiteis

inviabilizando 0 seu uso por urn longo tempo.

Charbouillot et ai. (1988) sintetizaram via processo sol-gel, urna nova e

promi.ssorafamilia de condutores protonicos, chamado AMINOSIL, a partir da

hidr61ise e condensa~ao de organo-tri-alc6xidos-silanos na presen~a de urn

acido mineral forte (HX) e agua:

OHI

(C~Oh-Si-(CH2h-NH2 11;0 )Ho- Si -(CH2h-N~~I ~.9)

OR

Estes pesquisadores obtiveram os AMINOSILS sob forma de filmes

transparentes monoliticos, com espessura em tomo de 10 f.Ull, nao porosos e

estaveis sob condi~oes atmosfericas. Estes filmes sao termicamente estaveis ate

IFSC -

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180°C com condutividade protonica em tomo de 10-s g-lcm-1 a temperatura

ambiente. Sao soluveis em agua e alcool, podendo se recompor. Como sao

obtidos de urna transforma~ao quase total de sol para s6lido, podem ser

aplicados em urn DE com certa vantagem em rela~ao ao sol de Ti02.

Ate recentemente nenhurna informa~ao foi encontrada na literatura a

respeito das propriedades fisico-quimicas dos tilmes sol-gel condutores de Li+.

3.5 Filmes sol-gel eletrocromicos

Em urn DE, 0 filme eletrocromico e 0 responsavel pela colora~ao. Quando

os ions sao inseridos na estrutura do filme eletrocromico, ocorre urna mudan~a

na sua colora~ao, provocando urna absor~ao 6tica na faixa do visivel.

Diversos 6xidos de metal de transi~ao apresentando eletrocromismo foram

obtidos via processo sol-gel: 6xido de tungstenio (W03), 6xido de ni6bio

(Nb20S), 6xido de titanio (Ti02), 6xido de molibidemio (Mo03) (Agrawal et al.

(1993)). Dentre estes, 0 W03 e 0 Nb20S sao os que apresentam melhor

densidade 6tica e reversibilidade eletroquimica.

°W03 e urn dos 6xidos de metal de transi~ao mais usados em DE devido

a sua forte absor~ao 6tica no visivel. Quando ions sao inseridos na sua estrutura,

a banda de energia proibida passa de 3,5 eV para 1,4 eV, favorecendo 0 salto de

eletrons entre os ions de tungstenio com diferentes estados de valencia, isto e

W6+<=> WS+. °processo de inser~ao e extra~ao envolve duas cargas. Para cada

ion inserido, urn eletron e injetado no 6xido vindo do circuito extemo para a

compensa~ao de carga. A Equa~ao 3.10 representa este processo:

W03 +xA ++xe- <:>AxW03 (A=H+ ,Li+ ,•••)(transparente) (azul )

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A compensa~ao de carga proporciona a forma~ao de ions de tungstenio

nurn estado de valencia reduzida (W5+),correspondendo a urna colora~ao azul.

Utilizando 0 processo sol-gel, 0 filme de W03 ja foi depositado atraves de

diferentes s6is de partida: acidifica~aodo tungstato de s6dio (Chemseddine et al.

(1983), Xu e Chen (1988) e Judeinstein e Livage (1989)), acido peroxo-

politungistico (Yamanaka et al. (1986) e Oi et al. (1992)), rea~ao do cloreto ou

oxo-cloreto de tungstenio com alcoois (Judeinstein e Livage (1990) e Habib e

Glueck (1989)) e hidr6lise de alc6xidos (Unurna et al. (1986) e Yamanaka

(1981)).

Segundo Livage (1992), a rea~ao do oxo-cloreto de tungstenio (WOCI4)

com isopropanol e 0 melhor metodo, por ser mais barato e fomecer urn sol

estavel por vanos meses, pois, urn precursor molecular oligomerico e formado

produzindo urna especie coloidal estavel.

Judeinstein e Livage (1990), usando este metodo, obtiveram camadas

hidratadas (W03.nH20) com espessura em tomo de 0,5 1Jlll. Atraves do

tratam~nto termico foi possivel controlar a quantidade de agua e a morfologia.·

Logo ap6s a deposi~ao do filme xerogel a quantidade de agua encontrada foi de

1,8 moles. Quando este filme foi aquecido a 120°C a quantidade deagua

passou para 0,5 mol e para 0,3 mol a 320°C e a 400°C 0 filme ficou

desidratado, apresentando a estrutura cristalina ortorrombica do W03. A

cristaliza~ao tambem ocorre quando 0 filme amorfo e deixado a atmosfera

ambiente por longo tempo, produzindo 0 W03.2H20, que exibe urna estrutura

laminar com moleculas de agua intercaladas entre os pIanos de W03. A

desidrata~ao ocorre quando estes filmes sao aquecidos a 120°C produzindo

urn filme W03.1H20 cristalino transparente. A melhor estabilidade

eletroquimica para inser~ao de ions Li+foi encontrada para filmes com n = 0,5

(Figura 3.6).

Para filmes com n = 1,8, aconteceu rapidamente urn decrescimo na

intensidade de corrente quando este foi submetido a uma varredura de potencial,

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caracteristico de urn processo irreversivel. Por outro lado, em fUmes com

n = 0,5,0 crescimento da intensidade de corrente com 0 passar do tempo indica

a presen~a de urn sistema reversivel.

,- I I

I-zl

Figura 3.6 - Voltamograma ciclico do filme de W03.nH20 em fun~ao da quantidade

de 8gua (Judeinstein e Livage (1990».

,Adicionando de lOa 15% em mol de Ti02, Gottsche et al. (1992)

conseguiram obter boa estabilidade eletroquimica do tilme de W03 .. ° sol foi

preparado pela mistura de cloreto de tungstenio (WC~) e isoprop6xido de tit3.nio

(Ti(OPri)4) em etanol. Entretanto, a adi~ao do Ti02 diminuiu os sitios ativos de

tungstenio, decrescendo assim a absor~ao 6tica.

Urn tilme tao born quanta 0 W03 e 0 Nb20S• Este Ultimo tern algumas

vantagens, pelo menos no que diz respeito ao metodo de prepara~ao. °eletrocromismo do Nb20S ocorre para filmes com estrutura cristalina,

signiticando que ele deve ser densificado em altas temperaturas sem a

necessidade de preocupa~ao com 0 controle da quantidade de agua na sua

estrutura. Detalhes de prepara~ao e propriedades fisico-quimicas dos tilmes de

Nb20S serao descritas nos Capitulo 4.

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3.6 Referencias

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CAPITULO 4

PREPARA<;Ao E CARACTERIZA<;AoDOS FILMES FINOS

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4.1 Introdu~io

Neste capitulo serao descritos os metodos de prepara~ao e caracteriza~ao

dos fihnes finos que compoem os dispositivos eletrocromicos (DE) em estudo: 0

contra-eletrodo de 6xido de cerio e titanio (CeOr Ti02), os eletrocromicos de

6xido de tungstenio (W03) e 6xido de ni6bio (Nb20S), os condutores protonicos

gel de,6xido de titanio (Ti02) e acetato de celulose e 0 condutor de litio POE-

LiN(S02CF3)2·

°CeOr Ti02 sera estudado em detalhe por ser 0 assunto principal deste

trabalho. Alem do mais, os demais fihnes ja foram parcialmente caracterizados

por outros pesquisadores.

4.2 Filmes de Ce02- Ti02 para armazenamento de ions

4.2.1 Prepara~io do sol de Ce02- Ti02

Os fihnes de CeOrTi02, na razao molar Ce/Ti =1, foram preparados a

partir de urn sol composto de nitrato de cerio amonia «NH4)2Ce(N03)6),

isopr6xido de titanio (Ti(OPri)4)e urn solvente. Inicialmente 0 (NH4hCe(N03)6

foi dissolvido em urn solvente (etanol, isopropanol ou 2-metoxi-etanol) atraves

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de agita~aomagnetica por 30 minutos e em seguida foi acrescentado 0 Ti(OPrj)4'

Verificou-se que a concentra~ao maxima (limite de solubilidade) do sal de cerio

foi de 0~25M no etanol~0~12M no isopropanol e superior a I M no 2-metoxi-etanol.

4.2.1.1 Caracteristicas fisico-quimicas do sol de Ce02- Ti02

o sol de CeOr Ti02 apresentou logo ap6s a sua prepara~ao a cor era

amarelo escuro e com 0 passar do tempo tomou-se amarelo claro. Para cada tipo

de solvente usado~ a mudan~a de cor ocorreu em tempos diferentes. Quando

utilizou-se 0 isopropanol~a mudan~a de cor ocorreu em 30 horas~com 0 etanol

em 5 dias e com 0 2-metoxi-etanol em 7 dias. Os tempos podem ser alterados a

depender basicamente da urnidade e da temperatura ambiente: quanta maior os

valores destas duas grandezas, menor 0 tempo da mudan~a de cor do sol.

A Figura 4.1 mostra a mudan~a na transmissao 6tica na regiao do visivel

em fu~waodo comprimento de onda para vanos tempos de envelhecimento de

urna solu~ao de <NH4hCe(N03)6- etanol 0~25M em urna cubeta de quartzo de

1 mm de espessura. Observa-se que para periodos de tempo maiores, a janela de

transmissao 6tica cresce~indicando que na solu~ao ocorreu urna mudan~a de cor

bastante significativa. Veremos na se~ao 4.2.2 que a cor do sol e importante na

obten~ao de urn filme de boa qualidade 6tica.

o processo de gelifica~ao do sol ocorreu aproximadamente 2 dias ap6s a

mudan~a de cor. Iniciou-se, entao~urn processo de flocula~ao, ja observado por

Maniya et al. (1986)~levando 0 sol a ficar com aparencia leitosa. A gelifica~ao

foi controlada quando 0 sol foi armazenado a 5°C. 0 sol preparado com

isopropanol permaneceu estavel por mais de 4' meses e com 0 2-metoxi-etanol

por mais de 1 ano; entretanto, com 0 etanol, mesmo a baixa temperatura~ a

gelifica~aoocorreu rapidamente.

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CAPITuLO 4 - PREPARACAO E CARACTERIZACAO DOS FILMES FINOS

Medidas de absor~ao no ultravioleta (UV) e titula~ao potenciometrica

(descritas a seguir) em urn sol de CeOr Ti02 tendo como solvente 0 isopropanol,

indicaram que 0 Ce4+ se reduz para Ce3+enquanto 0 sol envelhece mudando de

amarelo escuro para amarelo claro.

E- 40

o300 400 500 600

A(nm)

Figura 4.1 - Transmissao 6tica da solu~ao (NH4)2Ce(N03)6-etanol em fun~ao do

comprimento de onda para tempos de envelhecimento de (a)l, (b)2, (c)3, (d)4 e (e)5

dias.

A absor~ao (A) no UV de urna substancia e descrita pela Lei de Beer-Lambert:

onde c e a concentra~ao (M), Ie 0 comprimento do caminho 6tico (em) e & e 0

coeficiente de distin~ao molar (M-I.cm-l).0 gnmco A versus c e uma linha reta

com inclina~ao &, 0 qual e caracteristico de cada substancia em urn determinado

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CAPITULO 4 - PREPARA<;AO E CARACTERIZA<;AO DOS FILMES FINOS

solvente e comprimento de onda. Para determinar a constante & e necessario

conhecer a concentra~ao.

Uma vez que 0 Ce4+apresenta urn pica de absor~ao em tomo de 317 nm

(Weybrew et al. (1948)), utilizou-se este comprimento de onda na determina~ao

de & com varias solu~oes de diferentes concentra~oes de Ce4+. Usou-se urn

espectrofotometro de feixe duplo (Hitachi U2000) onde a referencia foi urna

solu~ao de isopropanol 6,5 mM em H2S04 0,2 M. A solu~ao contendo Ce4+foi

preparada da dissolu~ao do CNH4)2Ce(N03)6em isopropanol 85 mM. Em

seguida, esta solu~ao foi dissolvida em H2S04 0,2 M para obten~ao de vanas

solu~oes contendo Ce4+em concentra~oes de (a) 0,085 mM, (b) 0,17 mM, (c)

0,25 mM, (d) 0,34 mM e (e) 0,42 mM. Adicionou-se isopropanol a estas

solu~oes ate que a concentra~ao de isopropanol de referencia (6,5 mM) fosse

alcan~ada. A varia~ao da absor~ao versus 0 comprimento de onda e

apresentada na Figura 4.2 para algumas concentra~oes de Ce4+.° coeficiente

angular da reta da absor~ao (em 317 nm) versus a concentra~ao de Ce4+foi & =

5839 ABS.M-l.cm-1.

o240 280 320

A(nm)Figura 4.2 - Espectro de absor~ao do Ce4+ no UV nas concentra~oes de (a) 0.085

mM, (c) 0,25 mM e (e) 0,42 mM.

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CAPITULO 4 - PREPARA<;AO E CARACTERIZA<;AO DOS FD...MESFINOS

Conhecendo-se 0 valor de e do Ce4+ em isopropanol, foi possivel

determinar a concentra~ao do Ce4+ para diversos tempos de envelhecimento do

sol atraves da extra~ao de (a) 0,3 ml e (b) 0,4 ml do sol estoque a cada quatro

horas, os quais foram dissolvidos em 100ml de H2S04 0,2 M. Adicionou-se

isopropanol as solu~oes (a) e (b) ate que a concentra~ao de isopropanol da

referencia (6,5 roM) fosse igualada. Mediu-se a absor~ao de (a) e (b) em 317

nm~as concentra~oes foram, entao, calculadas via Equa~ao 4.1 e a media destas

concentra~oes foi extraida. Os resultados sao apresentados na Figura 4.3, onde

observa-se a diminui~ao da concentra~ao de Ce4+ e, consequentemente, 0

aumento da concentra~ao de Ce3+.

,-...., 120 Cl~ •e--- 100 •0 0+ •~ 00 0u 80 •0

"'0

0D •ld 60C)o> D •d

""'" 0~s::0 40 •0s::

D0u

20 10 20 30 400Tempo de envelhecimento (h)

Figura 4.3 - Concentra~ao de Ce4+ versus tempo de envelhecimento do sol de CeOr

Ti02 medidas por (*) absor~ao UV e (0) titula~ao potenciometrica.

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Isto tambem pode ser observado na Figura 4.4, onde compara-se 0

espectro obtido a 0 e 33 horas. Nota-se nesta figura urn pico em tomo de 250

DID, indicando a presenya do Ce3+ de acordo com a analise de Stewart e Kato

(1958) para uma soluyao de CeCI3.

300 350A(nm)

Figura 4.4 - Espectro de absor~ao do sol de ceOr Ti02 versus tempo de

envelhecimento para 0 h (amarelo escuro) e 33 h (amarelo claro).

Resultados semelhantes ao da absoryao de UV tambem foram encontrados

quando usou-se a tecnica de titulayao potenciometrica. Esta tecnica permite

medir a variayao dos potenciais das especies ionicas na soluyao. Utilizou-se urn

sistema de dois eletrodos: uma referencia (eletrodo de calomelano saturado -

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CAPiTULO 4 - PREPARACAO E CARACTERIZACAO DOS FILMES FINOS

ECS) e wn eletrodo de trabalho (platina) conectados awn voltimetro digital. Os

ions Ce4+foram titulados com ions Fe2+de acordo com a equa~ao:

o Fe2+ cede wn eletron para 0 Ce4+, fazendo com que este reduza-se a .

Ce3+. 0 ponto de equivalencia da rea~ao descrita na Equa~ao 4.2 foi

determinado pela varia~ao do potencial E (V versus ECS) versus volwne de

solu~ao titulante. Este ponto corresponde ao ponto onde a derivada e maxima.

A Figura 4.5, mostra 0 resultado da titula~ao do sol CeOr Ti02 para 0 tempo

zero, indicando a posi~ao da derivada maxima.

0.8 000 00~ 0000

0U <0~ 0.6 0

(/'.)=(/'.)••••• 0.4Q)

>>'-'~ 0.2

00 0

0.0 0 1 2 3 4 5 6Volume (ml)

Figura 4.5 - Varia~ao do potencial do sol de Ce02-Ti02 no tempo zero versus volwne

de solu~ao titulante. A linha vertical indica a localiza~ao da derivada maxima.

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CAPITULO 4 - PREPARA<;AO E CARACTERIZA<;AO DOS FILMES FINOS

No ponto de equivalencia da rea~ao, 0 nmnero de moles de Fe2+e igual ao

nmnero de moles do Ce4+, sendo a concentra~ao de Ce4+ dada por:

onde CFe2+ e VFe1+ sao respectivamente a concentra~ao e 0 volume titulante e

VCe4+ e 0 volume do sol reduzido. A medida de concentra~ao do Ce4+em fun~ao

do tempo de envelhecimento foi feita retirando-se 0,5 ml do sol e dissolvendo-o

em 5 ml de H2S04 0,2 M. Em seguida, esta mistura foi titulada com solu~ao de

FeS04 10 mM em H2S04 0,2 M. Este procedimento era repetido a cada 4 horas.

A Figura 4.3 mostra 0 resultado da varia~ao da concentra~ao de Ce4+ versus 0

tempo de envelhecimento. Observou-se, depois de trinta horas, um decrescimo

por um fator de tres na concentra~ao de Ce4+. Existe uma pequena diferen~a no

valor da concentra~ao de Ce4+entre estas duas tecnicas, porque as medidas para·

nao fQram realizadas exatamente no mesmo tempo, houve uma diferen~a

temporal em tomo de 15 minutos.

Segundo Mathur et al. (1985), a rea~ao do (NH4hCe(N03)6 com

isopropanol produz acetona, pois, a redu~ao do Ce4+ para 0 Ce3+ oxida 0

isopropanol, conforme:

A acetona e H+ formados, provavelmente, devem ser os responsaveis pela

estabiliza~ao do sol.

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CAPiTULO 4 - PREPARAC;AO E CARACTERlZAC;AO DOS Fn.MES FINOS

4.2.2 Prepara~io dos filmes de Ce02-Ti02

Os filmes de Ce02-Ti02 foram obtidos via a tecnica "dip-coating". °sol

precursor foi preparado com isopropanol e com 2-metoxi-etanol, uma vez que

estes solventes proporcionam uma melhor estabilidade dos s6is com 0 passar do

tempo. °isopropanol foi 0 mais usado devido a sua baixa toxidade. Doravante,

se nenhum comentario for feito a respeito do solvente utilizado e porque

preparou-se 0 sol com isopropanol.

Inicialmente 0 substrato foi mergulhado e retirado no sol com velocidade

de 20 cm/min formando urn filme xerogel. Em seguida, secou-se 0 filme a 70°C

por 15 min e densificou-lo em ar a aIta temperatura (entre 300 e 550°C). °processo foi repetido para obter filmes mais espessos. A espessura de cada

camada variou de 70 DID a 100 DID.

Como foi visto anteriormente, ha urna evolu~ao cinetica e uma mudan~a

6tica no sol durante 0 envelhecimento. Portanto, foi necessario investigar a

influe!1ciadestes fatores na forma~ao do filme fino.

Na Figura 4.6 apresenta-se a transmissao 6tica de dois filmes obtidos

sobre vidro para tempos de envelhecimento de 0 e 30 horas. Entre 400 e 800 DIn

o filme de 0 hora teve urna diminui~ao bastante significativa em rela~ao aquela

obtida com 0 filme de 30 horas.

Portanto, os filmes que apresentaram melhor transmissao 6tica foram

aqueles produzidos depois de 30 horas de envelhecimento do sol. Verificou em

seguida se haveria uma evolu~ao na densidade de carga ionica inserida (H+ ou

Li+) em fun~ao do tempo de envelhecimento como aconteceu com a transmissao

6tica. Estas medidas serao apresentadas na se~ao 4.2.3.

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80

60~~-~-

/////

/',/

//

II

I

II

II

II

II

IIII

II

I

20

400 600 800A (run)

1000

Figura 4.6 - Transmissao 6tica dos filmes de CeOz-Ti<?2. (---) obtido a 0 h e (-)

obtido a 30 h.

4.2.3 Caracteriza~ao eletroquimica

Os filmes para medidas eletroquimicas foram depositados sobre urn

substrato de ITO/VIDRO. Tres tipos foram utilizados: Balzers (Baltracon Z20, p

=2,6 x 10-4Oem), Donnelly (FW 5005, p = 2,6 x 10-4Oem) e Asahi Glass

("plasma assisted evaporation", p = 3,5 X 10-4 Oem). As medidas foram

realizadas com uma Interface Eletroquimica Solartron 1286 conectada a uma

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cela de tres eletrodos localizada em urna camara seca em atmosfera de

nitrogenio.

VIDRO / ITO / Ce02 - Ti02 / CJHS02 - LiCI04 0, 1M/ Pt

IAg/ Ag+- (Et4N)CI04 0,2M(Referencia)

A tecnica de voltametria ciclica consiste na aplica~ao de uma varredura de

potencial entre a referencia (AglAg+) e a amostra. A corrente e medida entre 0

contra-eletrodo (Pt) e a amostra.

Atraves da integra~ao da voltametria ciclica a 50 mVIs entre -1,8V e

0,5V, durante 0 300 cicIo determinou-se a densidade de carga inserida de ions

Li+ em fun~ao do tempo de envelhecimento do filme de CeOr Ti02 depositado

sobre ITO Baltracon com espessura de 70 nm. Verificou-se que a densidade de

carga cresce (Figura 4.7), enquanto a concentra~ao de ions Ce4+ decresce

(Figura 4.3). A carga maxima e alcan~ada em tomo de 30 horas, a qual

corresponde a melhor transmissao erica, vindo depois a decrescer devido ao

inicio da gelifica~ao e flocula~ao do sol.

Provavelmente, 0 aurnento de ions Ce3+ no sol favorece urna melhor

forma~ao estrutural do Ce02, facilitando, assim, a inser~ao de ions Li+. Por

outro lado, Baudry et al. (1990) usando urn sol preparado a partir do CeCI3,

onde 0 cerio tern nfunero de oxida~ao igual a +3, verificaram que a resposta

eletroquimica dos filmes e pior do que a resposta daqueles preparados com

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CAPiTULO 4 - PREPARAC;AO E CARACTERIZAC;AO DOS FILMES FINOS

~hCe (N03)6. Esta e uma questao para a qual falta ainda uma explica~ao

plausivel.

4 •3 \•~

\ ..••.N Aeu 2 ./"""'-

ue /'-'

CI 1 /•00 10 20 30 40 50

t (h)

Figura 4.7 - Densidade de carga inserida de Li+ em funyao do tempo de

envelhecimento no filme de CeOr Ti02 durante 0 30° cicIo voitametrico.

A Figura 4.8 apresenta uma voltametria tipica do filme do CeOrTi02

com 70 nm de espessura medida com uma velocidade de 10 mY/so Observa-se a

existencia de dois picos de redu~ao, os quais estao associados aos dois sitios

ativos do material. °potencial de redu~ao para titanio e igual a - 0,85 V e para 0

cerio e igual a -1,55 V. Medidas de espectroscopia foto-eletronica de raios-x

indicaram que tanto 0 tit3.nio como 0 cerio sofrem processo de redu~ao (se~ao

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CAPITuLO 4 - PREPARA<;AO E CARACTERIZA<;AO DOS FILMES FINOS

4.2.7). Nesta voltametria, ve-se tambem, que os picos correspondentes a redu~ao

e oxida~ao, nao estao bem definidos. Isto indica que, provavelmente, os sitios

ativos estao distribuidos aleatoriamente no tilme, como nos sistemas totalmente

amorfos (Judeinstein e Livage (1990)).

40

30

20

10

o-10

-20

-30

-40-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0

+E (V vs Ag/Ag )

Medidas para potenciais abaixo de -1,8V indicaram que 0 filme nao

suporta a densidade de carga inserida, ocorrendo assim, urn processo

irreversivel, provocado provavelmente pela inse~ao de Li+no ITO.

A Figura 4.9 mostra a influencia do tratamento termico sobre a densidade

de carga inserida dos tilmes depositados de urn sol envelhecido por 30 horas

(pico da Figura 4.7). Foi feito urn tratamento termico de 15 minutos para cada

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CAPiTULO 4 - PREPARA<;AO E CARACTERIZA<;AO DOS FILMES FINOS

temperatura. Verificou-se que a carga mais aIta corresponde a temperatura de

450 °C. 0 decrescimo da carga para ternperaturas mais aItas e atribuido ao

fechamento dos poros e/ou ao aumento da resistividade do ITO.

3~

Ne0-.....

2ue'-"

0 •1

o 300

Temperatura (0 C)

Figura 4.9 - Densidade de carga dos ions Li+ no fi1me CeOr Ti02 durante 0 300 cicIo

voltametrico a 50 mV/s em fiUW80da temperatura de densificay80 ap6s 30 horas de

envelhecimento do sol.

A Figura 4.10 mostra a influencia do tempo de tratamento termico a

450 °C sobre a densidade de carga do filme preparado ap6s 30 horas de

envelhecimento do sol. Vma nipida varia~ao e observada para tempos curtos, a

qual e atribuida a nuclea~ao e ao crescimento de pequenos cristalitos de Ce020

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CAPITuLo 4 - PREPARA~AO E CARACTERIZA~AO DOS FILMES FINOS

Figura 4.10 - Densidade de carga dos ions Li+ no filme CeOr ri02 durante 0 300

cicIo voltametrico em fun~io do tempo de tratamento tennico a 450 °C.

Uma cuidadosa analise dos resultados indica que outros parametros tern

urn papel importante nos valores maxunos das Figuras 4.7, 4.9 e 4.10,

destacando-se entre eles, a umidade relativa durante a deposi~ao e a

resistividade do filme de ITO.

A influencia da espessura do filme de CeOr Ti02 e do ITO foi testada

preparando-se filmes finos contendo ate cinco camadas (Figura 4.11). Os filmes

foram depositados sobre quatro diferentes tipos de ITO. Todas as curvas passam

atraves de urn maximo e a carga inserida diminui a medida que os filmes ficam

mais espessos. A carga mais alta (- 8,5 mC/cm2) foi encontrada em ITO

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fomecido pela Donnelly e Asahi Glass. °decrescimo da carga e atribuido ao

aumento da resistividade do filme de ITO e/ou a estrutura compacta do filme de

CeOrTi02'

~N 6eo..........

ue 4'-"

o

Figura 4.11 - Densidade de carga inserida do ion Li+no filme Ce02-Ti02 em funyao

do niunero de camadas. Os filmes foram depositados sobre ITO fomecido pela (.)

Balzers, (*) Asahi Glass, (A) Asahi Glass previamente aquecido a 450°C por 15

minutos em ar e (.) Donnelly.

Diversas medidas foram feitas com os filmes de CeOr Ti02 para testar as

suas estabilidades durante vanos ciclos na presen~a de H+ e Li+. Concluiu-se

que uma pequena mudan~a no tratamento termico aumenta a carga inserida e

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proporciona boa estabilidade eletroquimica ate 2000 ciclos. A Figura 4.12

apresenta os resultados de dois filmes feitos com isopropanol e 2-met6xi-etanol.

12

1000 2000NUmero de ciclos

Figura 4.12 - Densidade de carga inserida do tilme de CeOr Ti02 em fun~ao do

nUmero de ciclos voltametricos. (0) - filme feito com isopropanol, ion inserido Li+;

(.) - fUme feito com 2-metoxi-etanol, ion inserido Li+ e (.) - fUme foi feito com

isopropanol, ion inserido H+.

Nas medidas feitas na presenya de ions Li+, foi utilizado 0 sistema descrito na

seyao 4.2.3 aplicando urna varredura de potencial de ±1,6 V a 50 mY/soNa

presenya de ions H+utilizou-se como eletr6lito urn sol de Ti02, como referencia

o eletrodo de calomelano saturado e como contra-eletrodo uma placa de platina.

Aplicou-se urna varredura de potencial entre - 2,0 V e 3,4 V a 50 mY/soEstes

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CAPITuLO 4 - PREPARA<;AO E CARACTERIZA<;AO DOS FILMES FINOS

filmes foram secos a 70°C por 15 minutos e densificados a 500°C por 5

minutos. Fez-se urn tratamento final por 120 minutos a 500°C.

o filme de CeOr Ti02 apresentou urna excelente estabilidade

eletroquimica acima de 500 ciclos, tanto para os ions Li+como para os ions H+

com carga em tomo de 10 mC/cm2 e 12 mC/cm2, respectivamente, mostrando

assim que e viavel 0 seu uso em dispositivos eletrocromicos. A carga inserida no

filme feito com 2-metoxi-etanol foi menor do que aquele para 0 filme feito com

isopropanol, provavelmente devido ao tamanho da cadeia orgfulica, precisando

entio, de urn maior tempo de tratamento termico para retirar todos os carbonos.

4.2.3.2 Transmissao 6tica

Verificou-se que a transmissao 6tica do filme de CeOr Ti02 e semelhante

ao W03 (em tomo de 80% no visivel). A inser~ao de ions Li+ (10 mC/cm2) nao

m0di!icou 0 espectro, indicando assim, a possibilidade do uso deste filme como

contra-eletrodo em janelas eletrocromicas. Na Figura 4.13 e apresentada a

transmissao 6tica do sistema vidro/ITO/CeOr Ti02. A espessura do CeOr Ti02

fora em tomo de 210 nm.

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CAPiTULO 4 - PREPARA~AO E CARACTERIZA~AO DOS FILMES FINOS

80

~ 40

o300 450 600

A (nm)

Figura 4.13 - Transmissao 6tica do sistema VIDROIITO/CeOrTi02. (-) sem litio e

(---) com litio.

4.2.3.3 Coeficiente de difusio

° coeficiente de difusao dos ions Li+ nos filmes de CeOr ri02 foi

detenninado utilizando a tecnica de titula~ao galvanostatica intennitente

desenvolvida por Wepper e Huggins (1977). Esta tecnica combina medidas de

estados transiente e estacionario, possibilitando a obten~ao das propriedades

cineticas e termodinfunicas de condutores mistos. Ela elimina 0 problema de

interferencia devido a resistencia de polariza~ao que comumente ocorre no uso

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CAPITULO 4 - PREPARAc;AO E CARACTERIZAc;AO DOS FILMES FINOS

de tecnicas potenciostaticas e e capaz de detectar pequenas varia~oes na

estequiometria do composto estudado.

°coeticiente de difusao (D) e a mudan~a na estequiometria causada (~S)

pela inser~ao de ions litio no filme fino foram determinados atraves das equa~oes

(4.5) e (4.6), respectivamente (demonstra~oes apresentadas no Apendice A):

D= 4L2(AE.)2

1t't AEt

onde 't e 0 tempo do pulso, Lea espessura do filme, ~Es e 0 potencial no estado

estacionario, ~Et e 0 potencial no estado transiente, 10 e 0 valor do pulso de

corrente aplicado, MB e 0 peso atomico medio dos sitios ativos, mB e a massa

do tilme, ZA e a valencia da especie A que compoe 0 eletr6lito e F e a con stante

de Faraday. Foi utilizado 0 peso molecular medio, porque tanto 0 Ce02 como 0

Ti02 sofrem mudan~as nas suas estequiometrias quando 0 ion litio e inserido.

Na Figura 4.14 graficou-se 0 coeticiente de difusao (D) em fun~ao da

mudan~a de estequiometria para urn tilme fino de CeOr Ti02 com 210 run de

espessura.

Pode-se observar que D cai rapidamente para pequenos valores de AS e

permanece constante para AS > 0,005 com valor em tomo de 4xl0-12 cm2/s.

Estes resultados saD similares aqueles encontrados por Xu e Chen (1988) para 0

W03 obtido via processo sol-gel. Entretanto, 0 valor de D do CeOr Ti02 na

regiao de satura~ao e bem maior do que 0 do W03 (D = 4.76xl0-13 cm2/s).

Medidas potenciostaticas feitas em janelas eletrocrornicas com CeOr Ti02

e W03, obtidos via processo sol-gel, tambern indicaram que 0 CeOr Ti02 tern

urna cinetica para 0 ion litio bern rnaior do que 0 W03 (Capitulo 5).

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CAPiTULO 4 - PREPARAf;AO E CARACTERIZAf;AO DOS FILMES FINOS

4 I I I I

•3 - -

~~

N-"""

E 2 -u -0-I

0 •~---.- 1~ ~ • -~o••

0 ~ ••••• • • •.,.-I

0 2 4 6A8 (10-2)

Figura 4.14 - Coeficiente de difusao (0 ) em fun~ao da mudan~a de estequiometria

4.2.4 Analise de raio-x

Para amilise de raio-x do po de CeOr Ti02 obtido do sol gelificado,utilizou-se urn difrat6metro (Rigaku - RU 200B) com radia~ao CuKa. (A =

1,5406 A). 0 po foi obtido atraves da secagem do gel a 80 °C por 24 horas e

em seguida, foi separado em v3rios lotes, os quais foram densificados por 2

horas em temperaturas que variaram de 200 a 800 °C.

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CAPITULO 4 - PREPARA~AO E CARACTERIZA~AO DOS FILMES FlNOS

Na Figura 4.15 saD apresentados os difratogramas do po de CeOrTi02

para vanas temperaturas de densifica~ao. Observou-se que para os pos nao

tratado e 0 tratado a 200°C por duas boras apresentaram alta cristalinidade,

devido a presen~a de nitrato de cerio amonia. Acima de 200°C, 0 po apresentou

urna estrutura policristalina do Ce02 e amorfa do Ti02 anatase. °Ti02 anatase

foi convertido em mtilo quando aquecido acima de 700°C. A transforma~ao do

po entre 200 e 300°C tambem foi verificada com a medida de analise de

calorimetria diferencial com urn pico endotermico em tomo de 250°C (discutido

na se~ao 4.2.5). Verificou-se que 0 parametro de reticulado a foi igual a

5,45 ± 0,019 A. Segundo Makisbima et al. (1986), a estrutura do Ce02

corresponde a "cerianite" com rede cubica.

Os graos dos cristalitos de Ce02 crescem com 0 aumento da

temperatura. As medidas feitas nos graos com orienta~ao [220] indicaram que 0

raio medio dos graos ficou em tomo de 160 A entre 300 e 400°C; acima de 400

°c 0 raio medio dos graos cresceu ate atingir 440 A quando a temperatura era

de 8~0 °c (Figura 4.16). A 500 °c, temperatura utilizada para densificar os·

filmes, 0 tamanho medio dos graos foi de 174 A, valor bastante proximo ao

tamanho medio dos graos medidos no filme 000 (-200 A) atraves da

microscopia eletronica de varredura. Este resultado nao e apresentado neste

trabalho, devido a impossibilidade de reprodu~ao da fofografia..

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CAPiTULO 4 - PREPARAC;AO E CARACTERlZAC;AO DOS FILMES FINOS

-0_~-2~..,!.,-a.

4028

Figura 4.15 - Difratogramas do po de CeOrTi02. Os picos marcados com (.)

correspondem ao Ce02 e os marcados com (e) correspondem ao Ti02 anatase.

'-:':~~'~"-.~' "~'I" .• , ••..• , J

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~ 4000<'-'

/•J.- ..--/

400 600

Temperatura (0 C)

Estes resultados indicaram que na temperatura de 500°C (temperatura

utilizada para densifica~ao dos filmes), tem-se pequenos cristalitos de Ce02

distribuidos em urna solu~ao s6lida amorfa de Ti02. A inser~ao do ion ( H+ ou

Li+) se deu em duas estruturas, urna amorfa (Ti02) e urna cristalina (graos de

Ce02)' A inser~ao em ambas estruturas e perfeitamente possivel, pois, em urna

estrutura amorfa tem-se bastante defeitos por onde 0 ion pode se difundir e nos

graos cristalinos se tern urn parametro de reticulado capaz de abrigar facilmente

ions como 0 Li+ que tern raio atomico igual °a 0,68 A. Nurn recente artigo

Keomany et al. (1994) verificaram tambem que 0 !itio e inserido em ambos os

6xidos. A comprova~ao disto e apresentada na se~ao 4.2.7, atraves da analise

dos filmes via espectroscopia foto-eletronica de raios-x.

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CAPiTULO 4 - PREPARA<;AO E CARACTERIZA<;AO DOS FILMES FINOS

4.2.5 Analise de calorimetria diferencial (DSC)

A tecnica de calorimetria diferencial (DSC) permite determinar com boa

precisao as temperaturas onde ocorrem as transforma~oes em urn determinado

composto, atraves do ganho ou perda de calorias.

Esta tecnica consiste na medida do fluxo de calor em fun~ao da varredura

de temperatura. Uma quantidade de amostra e colocada em urn cadinho de

aluminio e este e aquecido. A medida e feita em rela~ao a urn cadinho vazio. A

Figura 4.17 apresenta a calorimetria diferencial do po de CeOr Ti02 realizada

em ar com urna velocidade de aquecimento de 10°C/min.

0C,)

2 .-S~ ~

~ I ~Q)-.... ..•...- 0~u 0 ~

EQ)

---~0 -2-~u(1)

"'0 -40~::s-~ -6

-8 oTern peratura (0 C)

Figura 4.17 - Calorimetria diferencial do po de Ce02-Ti02 realizada em ar com

velocidade de aquecimento de 10°C/min.

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CAPiTULO 4 - PREPARAc;AO E CARACTERlZAc;AO DOS FILMES FINOS

o primeiro pico a 70 °C corresponde a percta de agua absorvi~ 0 segundo pica

a 130 °C corresponde a perda de agua de crista1iza~ao, provavelmente do nitrato

de cerio, e 0 terceiro pico a 250 °C corresponde a decomposi~ao tennica do

nitrato de cerio em 6xido de cerio, como foi visto no resultado de raios-x (se~ao

4.2.4). Acima de 300 °C nenhuma mudan~a foi veritica~ visto que todo 0

nitrato foi transfonnado em 6xido acima desta temperatura.

4.2.6 Analise de espectroscopia de retro-espalhamento deRutherford (RDS)

o retro-espalhamento de Rutherford e uma das tecnicas quantitativas

usadas para detenninar 0 perfil dos elementos que compoem urn filme e sua

espessura. E uma tecnica nao destrutiva onde os limites de detec~ao sao em

tomo de ppm para elementos pesados e alguns percentos para elementos leves.

A re&,?lu~ao da profundidade e da ordem de 20 a 30 nm, mas em tomo da

superficie da amostra pode atingir de 2 a 3 nm. A analise de profundidade pode

chegar ate 2000 nm, mas com 0 uso de pr6tons no lugar de particulas a., a

profundidade analisada pode crescer urna ordem de magnitude. A resolu~ao

lateral e da ordem de 1 a 2 mID, mas alguns sistemas de micro feixe tern urna

resolu~ao da ordem de 1 a 10 J.UIl. A tecnica de RBS e comurnente usada na

analise quantitativa de perfil de profundidade de tilmes finos, medidas de

concentra~ao (atomos/cm2), qualidade cristalina e impurezas na rede.

A tecnica de RBS consiste basicamente em bombardear a amostra com

feixe mono-energetico de particulas de alta energia, tipicamente 0 helio, em

tomo de alguns Me V. A grande maioria das particulas sao implantadas dentro do

material e nao saem, ja que 0 difunetro de urn nucleo atomico e - 10-4 A,enquanto que, 0 espa~o entre os nucleos e - 1 A. Uma pequena fra~ao de

particulas incidentes colidem diretamente com 0 nucleo atomico de urn dos

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CAPITuLO 4 - PREPARAf;AO E CARACTERIZAf;AO DOS FILMES FINOS

atomos a urna certa profundidade da amostra. Esta colisao acontece devido afor~a Coulombiana presente entre os dois nucleos na proximidade urn do outro.

A energia detectada da particula retro-espalhada em urn determinado

angulo depende de dois processos:

(i) da perda de energia da particula devido a transferencia de momenta

para 0 atomo alvo (amostra) durante 0 evento de retro-espalhamento;

(ii) da perda de energia da particula durante a transmissao atraves do

material.

A Figura 4.18 mostra 0 esquema do processo de retro-espalhamento

ocorrido na superficie e em urna certa profundidade L da amostra.

L-1I

PARTicULASINCIDENTES

PARTicULASRETRO-ESP ALHADAS

Figura 4.18 - Esquema do processo de retro-espalhamento numa amostra com

espessura L (Brundle et ai. (1993)).

Quando 0 espalhamento acontece na superficie da amostra, a Unica

energia perdida e aquela devido a transferencia de momenta para 0 atomo alvo.

Quando a particula penetra em alguma profundidade na amostra, a energia e

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perdida de duas formas: em colisoes obliquas com os nucleos dos atomos alvos e

atraves de intera~oes com os eletrons. Para atomos de 4He com 2 MeV, a perda

energetica varia de 100 a 800 eVInm e depende da composi~ao e da densidade

da amostra. Portanto, a particula retro-espalhada de alguma profundidade da

amostra tern energia medida menor do que a particula retro-espalhada de algum

elemento da superficie. Este fenomeno permite entao 0 usa da tecnica de RBS

na determina~ao da espessura de filmes finos e perfil de profundidade dos

elementos ..

°nUmero relativo de particulas retro-espalhadas de urn atomo alvo sobre

urn dado angulo solido para urn dado nUmero de particulas incidentes e

relacionada com a se~ao de choque de espalhamento diferencial (Brundle et al.

(1993):

onde Z. e Z2 sao os nUmeros atomicos do atomo incidente e do atomo alvo,

respectivamente, M. e M2 sao as massas do atomo incidente (tipicamente 0

4He) e do atomo alvo, respectivamente, E e a energia do atomo incidente

imediatamente antes do espalhamento e "e" e a carga do eletron.

A Figura 4.19 mostra 0 resultado da ancilise do filme de CeOrTi02

depositado sobre silicio cristalino bombardeado com particulas a com 2 Me V. A

ancilise de RBS indicou a presen~a de Ce, Ti, ° e Si-substrato (Figura 4.20).

Obteve-se urn born ajuste entre 0 resultado experimental e 0 modelo teorico.

Abaixo de 1 Me V houve urna pequena diferen~a entre 0 modelo e 0

experimento, devido a canaliza~ao das particulas de helio no substrato de silicio

cristalino.

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CAPITuLO 4 - PREPARA<;AO E CARACTERIZA<;AO DOS Fn..MES FINOS

Atraves do ajuste da curva experimental (Figura 4.19) calculou-se 0 perfil

de profundidade em fun~ao da percentagem atomica (Figura 4.20). Verificou-se

que a razao atomica Cerfi =1 e que Ce/O = Ti/O = 2, conforme previsto pelo

procedimento experimental para prepara~ao do filme. 0 perfil de profundidade

fomeceu uma espessura de -2300 A, a qual e urn pouco diferente da obtida com

urn perfilometro (-2100 A), onde foi usado 0 vidro como substrato. Esta

diferen~a foi atribuida aos diferentes substratos usados em cada experimento.

Ate a profundidade de -250 A a percentagem atomica do Ti foi maior do que a

do Ceo Isto esm associado a facilidade do Ti se difundir para superficie da

amostra quando aquecido a altas temperaturas. Este mesmo fenomeno foi

observado por Aegerter et al. (1990) para 0 PbO-Ti02.

60 cerio .0

"'0

~ 50N.--~e 40••••0 experimentalc I0 30~c(l) 20 \e.-"'0

te6ricoQ 10(l)

~

0200 400 600 800 1000

Canal

Figura 4.19 - Espectro de RBS do filme fino de Ce02-Ti02 depositado sobre silicio

cristalino.

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CAPiTULO 4 - PREPARAC;AO E CARACTERIZAC;AO DOS FILMES FINOS

100 - -

~~ 80'-"~Co).-S 60<0 O2~

S(l) 40~ Ti-=(l)e 20 Ce(l)

I~

Si J00 1000 2000 3000

Espessura (A)

Figura 4.20 - Perfil de profundidade em fun~io da percentagem atomica do filme fino

de CeOr Ti02 depositado sobre silicio cristalino.

4.2.7 Analise de espectroscopia foto-eletronica de raios-x(XPS)

A tecnica de XPS e baseada no efeito foto-eletrico. Urn f6ton de alta

energia (i.e. cornprimento de onda curta) pode ionizar urn atorno, produzindo a

retirada de eletrons. A energia cinetica KE do eletron (foto-eIetron) depende da

energia do f6ton hv expressa pela lei foto-eletrica de Einstein:

KE=hv-BE

60

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onde BE e a energia de liga~ao do eletron ao atomo. Como hv e conhecida,

mede-se KE e determina-se BE. 0 nUmero de eletrons em urn atomo neutro e

igual ao nUmero de protons no nucleo. Os eletrons, anumados em orbitais em

tomo do nucleo, sao ligados a este por atra~ao eletrostatica. Unicamente dois

eletrons, de spin opostos, podem ocupar cada orbital. Os auto-valores & de cada

orbital sao discretos e sao diferentes para 0 mesmo orbital em diferentes atomos

porque a atra~ao eletrostatica para nucleos diferentes (i.e. para urn nUmero

diferente de protons) nao e igual. Para urna primeira aproxima~ao, a BE de urn

eletron, determinada pela quantidade de energia requerida para remove-Io do

atomo, e igual ao valor de & (isto podera ser verdade se, quando urn eletron for

removido, todos os outros eletrons nao responderem da mesma maneira). Entao,

determinando-se BE, aproximadamente determina-se 0 valor de &, 0 qual e

especifico para 0 atomo em questao, desta maneira identificando 0 atomo.

Urn esquema de urn espectometro de XPS e mostrado na Figura 4.21.

CONTADORDE

PULSO

ANALlSADORHEMISFERICO------------" ~

/ -/ -

/ -/ -------- ,I/~//-- ---, '\

/ / "\'I .,' v \ \ ELETRONS/ / + \ \/1/ \ \

1/ t\ 1I I " /I I \ /II ,IY '\.-J - / " - LENTES

-I I-I II J\ I

~

\ / FONTE! \ ~"'~,~o"j'v'o'" ~~"'~v"'''''''DE

" . RAIOS-X/

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CAPiTULO 4 - PREPARAf;AO E CARACTERIZAf;AO DOS FILMES FINOS

o feixe de excita~ao de raio-x e nonnalmente proveniente da excita~ao do

AlK.a. (1486,6 eV) ou M~ (1256,6 eV) com largura de linha -1 eV. A area

de analise esta em tomo de 0,5 crn2.

Inicialmente a amostra e bornbardeada por urn feixe de raio-x. Devido a

energia utilizada, 0 feixe de raio-x e capaz de arrancar eletrons da superficie da

amostra. Os eletrons saD colimados atraves de lentes rnagneticas para entrada do

analisador hemisferico. Este tipo de analisador e nonnalmente usado quando a

amostra e analisada em diferentes angulos. 0 espectro de XPS e produzido por

varia~ao da voltagern sobre as lentes e pela analise das trajet6rias dos eletrons

retirados da amostra com diferentes energias. Urn detector e ligado na saida do

analisador e ao contador de pulso eletronico. Urn cornputador e usado para

controlar a voltagern nas lentes e no analisador. Urn registrador e usado para

graficar 0 espectro. A camara. e rnantida em alto vacuo (-10-7 Torr).

A Tabela 4.1 apresenta as energias de liga~ao dos atornos no tilme fino de

CeOr Ti02 depositado sobre ITO/VIDRO com e sern Li+ inserido

eletroquimicamente.

Observou-se que a inser~ao de ions Li+ no tilme provoca urn

deslocamento nos niveis de energia dos eletrons, indicando urna rnudan~a para

estados de oxida~ao rnais baixos. Para 0 atorno de Ce a energia de liga~ao sofreu

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CAPiTULO 4 - PREPARAc;AO E CARACTERlZAc;AO DOS FILMES FlNOS

uma redu~ao de 0,2 eV, a qual esta associada a redu~ao do Ce4+ para Ce3+. Para

o Ti a redu~ao foi de 0,3 eV, correspondendo a redu~ao de Ti4+ para Tj3+.

Assim, como nos metais, ocorreu uma mudan~a na estrutura eletronica devido a

inser~ao de ions Li+, no atomo de oxigenio ocorreu uma redu~ao na energia de

liga~ao de 0,2 eV.

Desses resultados, conclui-se que tanto 0 Ce como 0 Ti sofreram redu~ao

de numero de oxida~ao com a inser~ao de ions Li+. Portanto a rea~ao cat6dica e

an6dica pode ser representada por:

Ce02 - Ti02 +xLi + + xe- ~ Li:t(Ce02 - Ti02) (4.9)

Da Equa~ao (4.9) tem-se que para cada "x" litios inseridos no filme, sac

injetados "x" eletrons vindos do circuito extemo para compensa~ao de carga. 0

processo foi indicado como reversivel (~), baseado nas medidas de densidade

de carga em fun~ao do nilmero de ciclos (Figura 4.13). A constata~ao de que

tanto .~ Ce como 0 Ti sofreram mudan~as nas suas estruturas eletronicas, vem

confinnar que os picos que aparecem na voltametria a 10 mV/s sac de ambos os

metais (Figura 4.9).

Nesta se~ao, serao descritos os metodos de prepara~ao dos condutores

protonicos gel de 6xido de titanio (Ti02) e acetato de celulose e 0 condutor de

!itio POE-LiN(S02CF 3)2usados na montagem das janelas eletrocr6micas.

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CAPITULO 4 - PREPARACAO E CARACTERIZACAO DOS FILMES FINOS

4.3.1 Prepara~ao de filmes condutores protonicos

4.3.1.1 Sol de Ti02

o condutor protonico Ti02 foi preparado segundo 0 metodo proposto por

Judeinstein et aJ. (1988), porem 0 but6xido de titfulio(Ti(OBun)4)foi substituido

por isoprop6xido de titanio (Ti(OPri)4)' 0 alc6xido foi misturado com acido

acetico glacial na razao molar 1:2 e, em seguida, 0 glicerol (G) ou etileno glicol

(EG) foi adicionado na razao molar G/Ti ou EG/Ti = 20. De acordo com a

literatura, esta mistura reativa fomece derivados glicolatos, onde os grupos

organicos podem comportar-se como pontes ligantes entre os atomos metaIico's

de titanio (Puri e Mehrotra (1967)). Nenhurna agua foi acrescentada. 0 material

resultante e urn liquido organico-inorganico viscoso. Para as razoes molares de

glicerol e etileno glicol citadas, foram obtidos geis depois de 15 e 10 dias,

respectivamente.

o mesmo procedimento foi usado com a mistura do acetilacetona e

Ti(OPri)4 na razao molar 2:1, resultando tambem em urn liquido organico-

inorganico com fraca viscosidade para 0 qual a estabilidade e bem melhor, pois,

mesmo na presen~a de agua, nao observou-se gelifica~ao por vanos meses.

o filme foi formado no DE quando 0 sol viscoso foi depositado com urn

pincel sobre 0 contra-eletrodo (CE) e prensado com 0 material eletrocromico

(ME), formando urn sanduiche do tipo CE/filme condutor/ME.

4.3.1.2 Poli-acetato de celulose

o poli-acetato de celulose condutor de H+ foi preparado atraves da

dissolu~ao de 0,5g de mono-acetato de celulose em 2 ml de acetona. Foram

acrescentados a esta mistura 2 ml de acido acetico a 800/0.Obteve-se desta

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CAPiTULO 4 - PREPARAf;AO E CARACTERIZAf;AO DOS FILMES FINOS

maneira, urn liquido bastante viscoso. 0 filme foi obtido de maneira identica ao

do sol de Ti02.

4.3.2 Prepara~io de tilmes condutores de Li+

o eletr6lito foi preparado dissolvendo 0 poli-6xido de etileno (POE) com

massa molar igual a 9xl06 e urn sa! de litio LiN(CF3S02)2 em acetonitrila

(CH3CN). A razao molar usada foi 0 : Li = 10:1 e c<?rrespondeao maximo de

condutividade deste sistema (Armand et al. (1983)). 0 liquido viscoso obtido

foi depositado diretamente sobre 0 contra-eletrodo e em seguida evaporado 'a50°C durante 48 horas. Foi feito urn tratamento sob vacuo para eliminar 0

solvente e a agua residual. A espessura dos filmes assim preparados variaram de

50 a 200 om. FiImes com boa homogeneidade e sem bollia foram obtidos com a

tecnica "spin-coating" a 3000 rpm durante 15 segundos.

4.4 Filmes eletrocromicos de W03 e Nb20S

4.4.1 Prepara~io de tilmes de W03

Os filmes de W03 foram preparados segundo 0 metoda desenvolvido por

Judeinstein e Livage (1990) e Judeinstein et al. (1992). 0 oxo-tetracloreto de

tungstenio ( WOCI4) foi dissolvido em isopropanol (0,1 M) em atmosfera seca.

Uma violenta rea~ao exotermica ocorreu liberando 0 gas HCI. Obteve-se urna

solu~ao amarela clara, a qual permaneceu estavel por varios meses quando

armazenada em urn recipiente fechado a 5°C. De acordo com Judeinstein e

Livage (1990), a rea~ao ocorre da seguinte maneira:

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WOCI4 +xROH --)J WOCI4_x(OR)x +xHCI

onde as especies oligomericas [WOCI2(ORh]n sao formadas (x = 2 en < 4) com

ROH = isopropanol.

Os filmes foram depositados sobre vidro recoberto com ITO utilizando a

tecnica "dip-coating" com velocidade de retirada de 20 cm/min em uma

umidade relativa ambiente de 30%. A espessura de cada camada ficou em tomo

de 50 nm. 0 procedimento foi repetido ate que filmes de 200 nm fossem

obtidos. Cada camada foi seca a 80°C por 15 minutos. A densifica~ao final foi

feita a 120°C durante 24 horas.

4.4.2 Prepara~ao de filmesde Nb20S

Os filmes finos de Nb20S foram preparados atraves da hidrolise do

buto~do de niobio (Nb(OBun)s) segundo 0 metoda do sodio metaIico (Mehrotra

(1988)). Inicialmente 0 cloreto de niobio (NbCIs, CBMM-Brasil) foi dissolvido

em butanol e logo apos, a solu~ao foi misturada com butoxido de sodio

[Na(OBun)] sob refluxo. Durante este processo ocorreu uma forte rea~ao

exotermica levando a forma~ao de Nb(OBun)s e cloreto de sodio (NaCl). 0

NaCI foi separado por centrifuga~ao resultando em urna solu~ao amarela

transparente. 0 sol final foi preparado pela mistura do Nb(OBun)s e acido

acetico glacial (CH3COOH) com razao molar 1:2. Este sol ficou estavel por

vanos meses. A tecnica "dip-coating" foi usada para depositar os filmes. 0

substrato, urn vidro recoberto com urn filme ITO transparente, foi mergulhado

neste sol e retirado a velocidade de 4 cm/min. Em seguida, seco a 80°C por 15

minutos e densificado a 600°C durante 60 minutos. 0 procedimento foi repetido

para obter filmes mais espessos.

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CAPiTULO 4 - PREPARAC;AO E CARACTERIZAC;AO DOS FILMES FINOS,

A transmissao 6tica de urn filme de Nb20S e mostrada na Figura 4.22.

Estes espectros foram medidos depois de aplicar urn potencial de -2,8 V versus

AglAgr (inser~ao de Li+) e -0,5 V versus AglAgr (extra~ao de Li+). A

transmissao no visivel e superior a 700/0 no estado transparente e menor do que

20% no estado colorido. A reversibilidade eletroquimica e a densidade 6tica

indicam que 0 Nb20S pode ser usado como material camada eletrocromico em

dispositivos eletrocromicos.

,-.....?!- 40'-"E-

-"~- - .•.,/,...r

20 ..,J'./

././

/I

0 400 600 800 1000,,-(nm)

Figura 4.22 - Transmissao 6tica do fHme de Nb20S (obtido via processo sol-gel) no

estado transparente (-) e no estado colorido (---).

A continuidade desta pesquisa (obten~ao de filmes de Nb20s via processo

sol-gel) originou urn trabalho de disserta~ao de mestrado, no qual esta sendo

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CAPITULO 4 - PREPARACAO E CARACTERIZACAO DOS FILMES FINOS

pesquisada a influencia da temperatura, do substrato e do oxigenio no tratamento

termico e 0 nUmero de camadas na inser~ao de ions Li+. Resultados

preliminares ja foram publicados (Avellaneda et oZ. (l994-a), Avellaneda et oZ.

(l994-b) e Avellaneda et oZ. (l994-c)).

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CAPiTULO 4 - PREPARA<;AO E CARACTERIZA<;AO DOS FILMES FINOS

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CAPITULO 5

APLICA<;Ao: JANELAS ELETROCROMICAS

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CAPITULO S - APLICACAO: JANELAS ELETROCROMICAS

5.1 Introdu~io

Sera descrita neste capitulo a montagem de alguns dispositivos

eletrocromicos. Os condutores ionicos utilizados foram 0 polimero POE

(poli6xido de etileno) dopado com LiN(CF3S02)2 como condutor de Li+ e 0

acetato de celulose e 0 sol de Ti02 como condutores protonicos. ° CeOr Ti02 .

foi usado como contra-eletrodo e 0 W03-sol-gel e 0 W03-evaporado foram

utilizados como material eletrocromico.

5.2 Prepara~ao

Inicialmente, 0 condutor ionico foi depositado sobre 0 contra-eletrodo.

Para que 0 condutor tivese uma boa uniformidade usou-se a tecnica "spin-

coating". Em seguida, 0 material eletrocromico foi prensado sobre 0 condutor. A

for~a aplicada foi mantida enquanto a janela era lacrada com uma cola especial

de baixa porosidade, como por exemplo, 0 "Torr-Seal". Ap6s 24 horas, a for~a

foi retirada e ajanela estava pronta para 0 uso.

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CAPiTULO 5 - APLICACAO: JANELAS ELETROCROMICAS

5.3 Caracteriza~io otico-eletroquimica

5.3.1 Janela com 0 condutor de litio POE-LiN(CF3S02)2

A janela montada com este condutor teve a seguinte configura~ao:

VIDRO I ITO I Lix W03 I POE - LiN(CF3S02)2 I ce02 - Ti02 I ITO I VIDRO

onde 0 filme de W03 usado foi evaporado do p6 de 6xido de tungstenio.

A Figura 5.1 surnariza a sua transmissao 6tica (em A = 750 nm) e

resposta eletrica. A curva da corrente apresenta urna nipida mudan~a na sua

curvatura para urna polariza~ao cat6dica (-2,5 V) em tomo de 20 s, i.e., quando

os ions Li+ sao transferidos da camada eletrocromica para a camada

armazenadora. Entretanto quando urn polariza~ao an6dica (3,0 V) e aplicada os

ions voltam para camada eletrocromica. Este processo e mais lento do que 0

anterior, como pode ser visto pela compara~ao das curvas entre 0 e 50 s e entre

50 e 100 s.

0.4I 60

(~."

I I

0.2f-.- 50/

1:""Ie ....... ~

~ 0.0 I 40 ~1/ '-''-' # \-+- -02 L Jj

\\ 30./ "'-

30V"'/ -25 V '\

-0.4 200 20 40 60 80 100t (s)

Figura 5.1 - Resposta potenciostatica da janela eletrocromica com condutor POE-

LiN(CF3S02)2, onde (---) e a transmissao 6tica a A = 750 nm e (-) e a resposta da

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CAPiTULO 5 - APLICA<;AO: JANELAS ELETROCROMICAS

Um comportamento similar foi observado no estudo eletroquimico do

CeOrTi02 em LiCI04 - carbonato de propileno 0,1 M. Isto indica que 0

determinante do processo e a inser~ao de Lfr no CeOrTi02. Esta rapida

varia~ao da corrente esm associada ao decrescimo do coeficiente de difusao do

litio quando a concentra~ao de Li+ alcan~a urn certo valor.

As afirma~oes acima puderam ser comprovadas quando os limites dos

potenciais foram variados (Figura 5.2). Observou-se que quanta menor 0

potencial (x elevado) mais rapida e a queda da corrente. Confinnou-se, entao, a

hipotese de que 0 aurnento do conteudo de litio no filme acelera 0 decrescimo

-0.2 0.2~Ne -2V'0 0.0........•.

@---~

0.2 -0.2-2V

0.0

-0.2o 40 60t (s)

Figura S.2 - Resposta da janela com condutor POE-LiN(CF3S02)2 com diferentes

limites do degrau de potencial.

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CAPiTULO 5 - APLICAf;AO: JANELAS ELETROCROMICAS

do coeficiente de difusao (como foi visto na secao 4.2.3.3). Este fenomeno nao

ocorre durante a extra~ao, pois, a concentra~ao de litio na frente da rea~ao e

maxima, reduzindo-se durante 0 processo.

A Figura 5.3 apresenta 0 comportamento dinamico da janela onde

registrou-se simultaneamente a voltametria ciclica e a transmissao 6tica a 750

DIn. Dessa maneira, foi obtido uma opto-voltametria que mostra 0

acompanhamento real das caracteristicas 6ticas da janela com os fenomenos

eletricos. Inicialmente a corrente cresceu positivamente acompanhada do

aumento da transmissao (inser~ao no contra-eletrodo)" ate 60 %, em seguida a

corrente come~ou a diminuir e consequentemente ocorreu a diminui~ao da

transmissao « 25 %), correspondendo a inser~aona camada eletrocromica.

0.2 70

I_ - ....J\ _ 160/' /

0.1 I•,-..... /N rJe 50(,,) r ~:( 0.0 / ,-.....

';fte / I- to ----~ I I" -4

'\ / // 130...••. """"\.... / ...--r----

-0.21 1 ~ 120-2 0 2

E (V)

Figura 5.3 - Voltametria ciclica opto-eletronica da jane1a com condutor POE +

LiN(CF3S02)2 medida a A= 750 nm.

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CAPiTULO 5 - APLICAC;AO: JANE LAS ELETROCROMICAS

5.3.2 Janela com 0 condutor protonico poli-acetato decelulose

A janela montada com este condutor ionico teve a seguinte configura~ao:

VIDRO/ITO/HsW03 IpoU-acetatodecelulose/CeOz -TiOz IITO/VIDRO

As caracteristicas da janela com este condutor sao similares aquelas com

o condutor de POE + LiN(CF3S02)2, como pode ser visto na Figura 5.4. A

varia~ao 6tica com 0 poli-acetato de celulose foi mais rapida, mas 0 tempo de

vida foi menor por causa da corrosao da camada de W03 pelo condutor acido.

1.0,,-.....13

Co)< 0.0 ------------e'-"~

-1.070

60,,-.....~ 50Eo-< 40 ~

301

o

(a)

//

10 20t (s)

(b)30 40

Figura 5.4 - (a) resposta potenciostatica da janela com condutor protonico poli-

acetato de celulose onde (-) e a resposta da corrente depois de 25 ciclos e (---)

depois de 400 ciclos; (b) transmissao 6tica a A= 750 nm.

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CAPiTULO 5 - APLICACAO: JANELAS ELETROCROMICAS

5.3.3 Janela com 0 condutor protonico sol de Ti02

Utilizando 0 sol de Ti02 foram montadas duas janelas: urna simetrica e

outra completa. A simetrica teve a seguinte configura~ao:

VIDRO / ITO / ce02 - Ti02 / Ti02 - sol/ ce02 - Ti02 / ITO / VIDRO

Este tipo de janela nao apresenta colora~ao. As curvas de voltametria

obtidas sao praticamente simetricas e nenhurna degrada~ao foi observada, pelo

menos via inspe~ao visual na cela ate 30.000 cicIos. ° tempo de resposta da

densidade de corrente quando urna voltagem de onda quadrada de ±0,8 V foi

aplicada por urn periodo de 40 s para 029.3400 cicIo, e mostrado na Figura 5.5.

0.5,-...,

N

E 0.0Co)....•...•••.

<E -0.5'-'

~

-1.0

10 20 30

t (s)

Figura 5.5 - Tempo de resposta da janela simetrica para voltagem de ±D,8 V com

periodo de 40 s para 0 29.3400 cicIo.

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CAPITULO 5 - APLICAC;AO: JANELAS ELETROCROMICAS

Urn rapido tempo de chaveamento (-2,5 s) e observado para os estados de

inser~ao e extra~ao de ions H+, mostrando que 0 sistema sol-gel Ti02/CeOr

Ti02IITO/VIDRO funciona muito bem.

Ajanela completa teve a seguinte configura~ao:VIDRO/ITO/H1WOJ/Ti02 -sol/Ce02 -Ti02/ITO/VIDRO

onde a camada de W03 foi obtida via processo sol-gel. A Figura 5.6 mostra a

transmissao 6tica tipica medida na regiao do infra-vermelhoe visivel nos estados

transparente e colorido. Os resultados obtidos com 0 10 cicIo sao totalmente

comparaveis com aqueles obtidos de janelas com camadas preparadas atraves de

outros metodos (Goldner et al. (1988)).

janelatransparent

--'\\\\ janela"'---",co lorida~--

400 600 800 1000

A (nm)

Figura 5.6 - Transmissao no infravennelho e visivel de uma janela completra com

condutor protonico so de Ti02 no estado transparente e colorido. (-) 10 cicio, (---)

3600 cicio.

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CAPiTULO 5 - APLICACAO: JANELAS ELETROCROMICAS

A resposta temporal da densidade de corrente e mostrada na Figura 5.7.

Foi aplicada urna onda quadrada de voltagem de ±1.5 V por 60 s. As cineticas de

colora~ao e transparencia SaDnipidas « 10 s). A resposta no estado transparente

teve urna mudan~a de curvatura em tomo de 20 s; urn comportamento semelhante

foi observado nas janelas com os condutores POE-LiN(CF3S02)2 e poli-acetato

de celulose (ver Figura 5.1 e 5.4).

,-.. 0 0N •

E~ -0.5E~-1.0

20 40 60 80 100

t (s)

Figura 5.7 - Varia~ao da densidade de corrente para uma voltagem de onda quadrada

(±1.5 V e periodo de 60 s). (-) 10 cicIo, (---) 3600 cicIo.

o tempo de vida, da janela com condutor protonico sol de Ti02, e urn

parametro que ainda precisa ser melhorado, necessitando pois, de mais pesquisa.

Observou-se claramente que a jane1a eletrocromica com este condutor sofreu

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CAPiTULO 5 - APLICA<;AO: JANELAS ELETROCROMICAS

uma degrada~ao (ver Figura 5.6 e 5.7). Uma inspe~ao visual no sistema mostrou

uma falta de aderencia entre as duas camadas. Ainda nao se conhece a origem

deste fenomeno. Como nenhuma degrada~ao ocorreu na janela simetrica ate

30.000 ciclos, e altamente provavel que 0 problema esteja na interface

W03rri02. A rea~ao quimica entre estes materiais pode provocar tensoes ou

evoluir gases na interface for~ando as camadas a se separarem. Por outro lado ,

Judeinstein et al. (1988) conseguiram uma estabilidade acima de 40.000 ciclos

para uma janela simetrica tendo a configura~ao: Sn02IW03rri02IW03/Sn02'

A mudan~a do butoxido de titanio por isop~opoxido de titfulio e a

dificuldade no controle da quantidade de agua na obten~ao da camada de W03

podem, enmo, ser os responsaveis pela degrada~ao. Provavelmente, 0 controle

desses dois parametros proporcionara uma janela com tempo de vida maior.

Entretando, a gera~ao de hidrogenio gasoso nao pode ser descartada como urn

fator redutor do tempo de vida, ja que este gas provoca corrosao e a separa~ao

das camadas dajanela eletrocromica (Ho et al. (1990)).

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CAPiTULO 5 - APLICAf;AO: JANELAS ELETROCROMICAS

GOLDNER, R.B., SEWARD, G., WONG, K., HAAS, T., FOLEY, G.H.,CHAPMAN, R., SCHULZ, S. Solar Energy Materials, v. 19, p. 17,1988.

HO, K.C., SINGLETON, D.E., GREENBERG, C.B. The influence of terminal.effect on the performance of electrochromic windows. Journal of theElectrochemistry Society, v.137, p.3858-3864, 1990.

JUDEINSTEIN, P., LlVAGE, J., ZARUDIANSKY, A., ROSE, R. An all gelelectrochromic device. Solid State lonics, v. 28-30, p. 1722-1725, 1988.

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CAPITULO 6

CONCLUSOES

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Neste capitulo SaDapresentadas as principais conclusoes deste trabalho.

• Os s6is apresentaram uma evolu~ao cinetica que se estabilizou depois de 30

horas, 5 dias e 7 dias quando 0 solvente usado foi 0 isopropanol, etanol e 2-

rnetoxi-etanol, respectivamente.

• Os s6is preparados com etanol, isopropanol e 2-rnetoxi-etanol, permaneceram

estaveis por 2 dias, 4 rneses e acima de 1 ano, respectivamente, quando

armazenados a 5 °C.

6.2 Filme fino de Ce02- Ti02

• E urn armazenador de ions H+ ou Li+.

• A rnelhor resposta opto-eletroquimica foi encontrada com 210 nm de

espessura quando densificado a 500°C por 2 horas em ar.

• Permaneceu estcivel perante a inser~ao de ions H+ ou Li+ por rnais de 2000

ciclos.

• 0 coeficiente de difusao quimico dos ions Li+ foi de 4xl0-12 crn2/s.

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• A inser~ao dos ions Li+ ocorreu em pequenos cristalitos de Ce02 e no amorfo

Ti02·

• Quando os ions Li+ foram inseridos, ocorreu redu~ao do Ce e do Ti e

oxida~ao quando eles foram extraidos.

• A equa~ao de oxi-redu~ao encontrada foi

Ce02 - Ti02 + xLi + +xe- <=>Lix(Ce02 - Ti02)

• A transparencia 6tica no visivel ficou em tome de 80%, tanto para 0 estado

reduzido como para 0 oxidado.

• Diante do exposto, conclui-se que 0 CeOr Ti02 e urn excelente armazenador

de ions H+ ou Li+.

6.3 Sol e filme fino de Nb20S

· °sol permaneceu estavel por mais de 4 meses.

• A reversibilidade eletroquiIhica e a varia~ao da densidade 6tica indicaram que

o~e fino de Nb20S pode ser usado como material eletrocromico em

dispositivos eletrocromicos.

• As janelas que trabalharam com condutores de ions Li+ tiveram urna maior

durabilidade do que aqueles com H+.

• A janela eletrocromica sol-gel teve qualidades 6ticas satisfat6rias, com

transmissao em tome de 60% para 0 estado transparente e em tome de 8%

para 0 estado colorido (azul escuro) a A = 750 nm.

· ° processo sol-gel mostrou-se viavel para obten~ao de filmes finos que

compoem os dispositivos eletrocromicos, porque ele e economico e permite

obter filmes de grandes dimensoes com urn controle rigoroso da sua

morfologia .

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CAPITULO 7

SUGESTOES PARA TRABALHOS FUTUROS

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• Obter via processo sol-gel, urn filme fino condutor ionico de Li+, que tenha

alta condutividade ionica a temperatura ambiente, boa transparencia e boa

adesao ao material eletrocomico e contra eletrodo.

• Montagem de dispositivos que tenha 0 Nb20S como material eletrocromico e

o CeOr Ti02 como contra-eletrodo

• Testar os filmes de CeOr Ti02 e Nb20S em outros tipos de dispositivos; tais

como contra eletrodos em baterias de litio e como material foto-eletroquimico

em celulas solares para gera~ao de energia eletrica.

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APENDICEA

TECNICA DE TITULAc;AoGAL VANOSTATICA INTERMITENTE

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APENDICE A - TECNICA DE TITULA<;AO GALVANOSTATICA INTERMITENTE

Weppner e Huggins (1977) desenvolveram a tecnica de titula~ao

galvanostciticaintermitente que permite determinar a difusao quimica de ions em

condutores s6lidos mistos. Esta tecnica combina medidas de estados transiente e

estaciomirio possibilitando a obten~ao das propriedades cineticas e

termodinamicas de condutores mistos. Ela elimina 0 problema de interferencia

devido a resistencia de polariza~ao que comumente ocorre no uso de tecnicas

poten~iostciticase e capaz de detectar pequenas varia~5es na estequiometria do

composto estudado. A Figura (A.I) mostra 0 arranjo experimental utilizado.

+ions Li CeOrTiOz

Figura A.I - Esquema de uma ce1a galvamca. A interface eletr6lito/amostra esta em x

= O.A espessura da amostra e L.

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APENDICE A - TECNICA DE TITULAc;AO GALVANOSTATICA INTERMITENTE

Partindo com a amostra com composi~ao conhecida (no caso CeOr Ti02)

e com a cela galvclnica em equilibrio termodinimico e supondo que as

concentra~oes de todas as especies sao homogeneas atraves do eletrodo CeOr

Ti02, correspondendo a voltagem da cela Eo, uma corrente Ia e aplicada entre a

fase A e a fase B no intervalo de tempo 't (Figura A.2).

• ••••••• __••.•••• _".0 ••••••• _•••••••••• _. ._." •• "." .•••• _._. ._ •.•••••.• __• _ •••• _._ ••• __•••.• _. •.•••••••••• _.

•. }QUEDAOHMICA.!lEt

Eo 'I .

.!lEs ........ :of'. .

t + 'to

Figura A.2 - Pulso de corrente na cela. ~t e a mudan~a do potencial devido a 10• ~s

e 0 novo potencial da cela.

Esta corrente produz urn gradiente de concentra~ao Bc/ax na interface

CeOr ri02/ eletrolito, representando pela primeira lei de Fick:

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APENDICE A - TECNICA DE TITULA<;AO GALVANOSTA TICA INTERMITENTE

I = - AZ.ei>[OCi]o I Ox x=O

onde A = area de interface eletrodo/eletrolito, Zi = valencia da especie "i" que

difunde na fase inicial do eletrodo, e = carga do eletron e Ii = coeficiente de

difusao quimica da especie "i". Depois do intervalo de tempo 't, 0 fluxo de

corrente e interrompido fazendo com que a composi~ao Lio(CeOr Ti02) tenda

novamente a ficar homogenea por difusao das especies moveis. Durante 0

processo de equilibrio ocorre uma mudan~a na composi~ao da superficie da

amostra. A cela passa a ter urn novo potencial E1 no estado estacioncirio,

correspondendo a uma nova atividade do litio na amostra como urn resultado eta

mudan~a da estequiometria ~ocausada pela titula~ao coulometrica, dado por:

ondeMB, mB, 10 e F sao, respectivamente, 0 peso atomico, a massa da fase B, a

corrente (constante) e a con stante de Faraday. Apos 0 eletrodo atingir 0

equilibrio, 0 procedimento pode ser repetido iniciando com 0 novo potencial E1.

Este processo pode ser continuado ate que ocorra urna mudan~a de fase no

eletrodo, ou ate que 0 eletrolito decomponha-se ou tome-se condutor eletronico.

A dependencia da concentra~ao ci em fun~ao do tempo na interface

eletrodo/eletrolito e determinada resolvendo a equa~ao da segunda lei de Fick:

com as seguintes condi~5es de contomo:

(O<x<L)

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APENDICE A - TECNICA DE TITULA~AO GALVANOSTA TICA INTERMITENTE

(t>O)

[OCi] = 0Ox J:=L

(t > 0)

A Equa~ao (A.4) e a condi~ao inicial do processo no eletrodo, ou seja, em

t=0 a concentra~ao da especie "i" na interface CeOr Ti02/ eletr6lito e igual a

desta especie em solu~ao. Esta condi~ao de contomo representa 0 equihbrio

termodinamico alcan~ado sem pulso de corrente aplicado. A Equa~ao (A.5) e a

primeira lei de Fick (a aplica~ao do pulso de corrente Ia no sistema produz urn

gradiente de concentra~ao da especie "i" na interface). A Equa~ao (A.6) e a

condi~ao de contomo que limita a rea~ao, significando que nenhurna rea~ao

ocorre alem da interface CeOr Ti02/ ITO, ja que Lea espessura do filme de

CeOrTi02. A solu~ao da Equa~ao A.3 sob as condi~oes de contomo (A.4),

(A.5) e (A.6) e expressa da seguinte forma:

c,(x=O,t)=co+~~c'1; E[icrrc(&)+icrrc( (Di£L)] (~7)

com ierfc(A)=1t1/2 exp(-A?) - A + Aerf(A)

Para termos t« L2/n , a soma infinita pode ser aproximada pelo primeiro termo.

Com filme de espessura em tomo de 210 nm, 0 coeficiente de difusao do Li+no

CeOrTi02 varia entre 36xl0-11 a 4xl0-12 cm2s·1 com t « 20s. Assim, a

varia~ao de Cj com a raiz quadrada do tempo fomece:

dci(x=O,t) 210

d.Jt - AZie~D1t

-(t « L2/D)

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APENDICE A - TECNICA DE TITULAC;AO GALVANOSTATICA INTERMITENTE

Considerando que 0 volume molar nao varia com 0 aumento da concentra~ao de

ions da fase B, a varia~ao da concentra~ao e a estequiometria estao relacionadas

atraves de:

Ndc.=~dBI V

M

onde NA e 0 numero de Avogrado e VM e 0 volume molar da amostra. Inserindo

(A.9) em (A.8) e multiplicando ambos os lados por dE, obtem-se a seguinte

expressao para a dependencia do potencial da cela com 0 tempo:

. -(t«I: ID)

onde dE/do e a inclina~ao da curva de titula~ao coulometrica. Este valor e

detenninado pelo grMico do potencial no estado estaciommo medido apes cada. .

pulso "de corrente em fun~ao da composi~ao. Finalmente, de (A.lO) temos 0

coeficiente de difusao quimica dado por:

( )

2 2»_ 4 VM I dEldB- 1t AFZ. (0 dE I d.Jt )(t« L2 ID)

Entretanto, se for usado uma corrente suficientemente pequena, a mudan~a do

potenical no estado estaciommo toma-se pequena (no equilibrio, E1 - Eo= Es);a

quantidade dE/do e considerada constante e pode ser representada pela razao de

quantidades finitas LlEs/80. Gutra transfonna~ao pode ser feita, desde que E

versus .Jt possa ser substituido por LlE/.Jt, onde LlEt e a mudan~a total do

potencial E da cela durante 0 pulso de corrente, desprezando a queda ohmica IR.

Desta foram, a Equa~ao (A.I I) toma-se:

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APENDICE A - TECNICA DE TITULAf;AO GALVANOSTA.TICA INTERMITENTE

-(t« r: ID)

Substituindo mBVM 1MBA por L, a Equa~ao (A.12) toma-se:

D= 4L2(AE.)2

7t't AEt

-(t« L2/D)

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APENDICE A - TECNICA DE TITULAf;AO GALVANOSTA.nCA INTERMITENTE

WEPPNER, W., HUGGINS, R. A. Determination of the kinetic parameters ofmixed-conducting electrodes and application to the system Li3Sb. Journalof the Electrochemistry Society, v.124, n.10, p.1569-1578, 1977.

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APENDICEB

PUBLICAc;OES REFERENTESA ESTE TRABALHO

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APENDICE B - PUBLICACOES REFERENTES A ESTE TRABALHO

Neste apendice sio relacionadas as publica~oes feitas em forma de

artigos e resumos originados deste trabalho.

B.l Artigos

TONAZZI, J. C. L., VALLA, B., MACEDO, M . A., BAUDRY, P.,

~GERTER, M. A., RODRIGUES, A. C. M., BULHOES, L. 0.·

Characterization of an all solid-state electrochromic window. In: SOL-GEL

OPTICS, San Diego, 1990. Proceedings. SPIE, 1990, v. 1328, p.375~390.

VALLA, B., MACEDO, M . A., DALL'ANTONIA, L . H., TONAZZI, J. C. L.,

AEGERTER, M. A., BULHOES, L. O. Prepara~ao e caracteriza~ao de uma

janela eletrocromica. In: III CONGRESSO INTERNACIONAL ffiERO-

AMERICANO DE CERAM!CA - ABC, Belo Horizonte, 1991, p. 457-464.Anais.

VALLA, B., TONAZZI, J. C. L., MACEDO, M . A., DALL'ANTONIA, L . H.,

AEGERTER, M. A., GOMES, M. A. B., BULHOES, L. O. Transparent

storage layers for H+ and Li+ ions prepared by sol-gel technique. In:

OPTICAL MATERIALS TECHNOLOGY FOR ENERGY EFFICIENCY

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APENDICE B - PUBLICA~{)ES REFERENTES A ESTE TRABALHO

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APENDICE B - PUBLICACOES REFERENTES A ESTE TRABALHO

SOLAR ENERGY CONVERSION XliI, Freiburg, 1994. Proceedings. SPIE- a ser publicado.

AVELLANEDA, C.O., MACEDO. M.A., FLORENTINO, A.O., FILHO,D.A.B., AEGERTER, M.A. Niobia sol-gel: a new material forelectrochromic and photoelectric applications. In: SOL-GEL OPTICS ill,San Diego, 1994. Proceedings. SPIE - a ser publicado.

MACEDO. M. A., DALL'ANTONIA, L. H., BULHOES, L. 0., AEGERTER,

M. A., VALLA, B., TONAZZI, J. C. L., CASTRO, S. C. Caracteriza~~o

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MACEDO. M. A., VALLA, B., DALL'ANTONIA, L. H., PAGLIUSO, C. J.,

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MACEDO. M. A., AEGERTER, M. A., GUZMAN-MARTEL, G. Prepara~ao

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cional de Fisica da Materia Condensada - SBF, 1992.

MACEDO. M. A., DALL'ANTONIA, L. H., AEGERTER, M. A. Estudo da

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de Fisica da Materia Condensada - SBF, 1993.

MACEDO. M. A., AEGERTER, M. A. Influencia do tratamento termico e da

espessura na inser~ao do Li+ no tilme de CeOrTi02' XVI Encontro

Nacional de Fisica da Materia Condensada - SBF, 1993.

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MACEDO. M. A., AEGERTER, M. A. Influencia do tratamento tennico e da

espessura na inser~ao do Li+ no filme de CeOrTi02' 370 Congresso

Brasileiro de Cerfunica - ABC, 1993.

DALL'ANTONIA, L. H., MACEDO. M. A., AEGERTER, M. A. Estudo da

cinetica de evolu~aode urn sol de CeOrTi02' 16a Reuniao Anual da Socie-

dade Brasileira de Quimica, 1993.