Obtenção e caracterização de Heteroestruturas Bidimensionais (2D/2D) construídas a partir de materiais Dicalcogenetos de metais de transição

Abstract

Materiais bidimensionais (2D) da família dos Dicalcogenetos de Metais de Transição (DMTs) tem sido amplamentes estudados nos últimos anos devido à suas excelentes propriedades óticas e eletrônicas o que posibilita seu uso em dispositivos optoeletrônicos. Entretanto, o desenvolvimento de uma metodologia para produzir em larga escala estes materiais DMTs na sua forma bidimensional é um dos grandes desafios atuais para a comunidade cientifica e tecnológica. Por este motivo, na presente dissertação, foi proposto um método de esfoliação de materiais do tipo DMTs que combina esfoliação mecânica por ball milling e esfoliação líquida por banho de ultrassom que permite obter grandes quantidades, ou seja, concentração, de material com uma eficiência relativamente alta. Este método foi aplicado especificamente para o MoS2, WS2 e grafeno a partir dos materiais em pó. Na primeira etapa deste estudo experimental, investigou-se a influência dos parâmetros do processo de moagem, especificamente o tempo, na eficiência do método de esfoliação proposto. Os materiais moídos por diferentes tempos e as dispersões do material esfoliado foram caracterizadas por difração de raios X (DRX), espectroscopia de absorção UV-Vis e microscopia de força atômica (AFM). Na segunda etapa preparou-se um nanocompósito do tipo 2D/2D combinando os materiais esfoliados MoS2 e grafeno (MoS2/grafeno) e uma heteroestrutura híbrida MoS2/Gr/P3HT a partir do nanocompósito e do polímero semicondutor Poly(3-hexylthiophene) (P3HT). A morfologia dos nanocompósitos foi estudada através da Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e um mapa da composição química destes foi obtido por Espectroscopia de Energia Dispersiva de Raios X (EDS). A estrutura eletrônica da heteroestrutura hibrida foi caracterizada por Espectroscopia Raman, Espectroscopia de fotoelétrons de Raios X (XPS); Espectroscopia de absorção de Raio-X (NEXAS) e Espectroscopia Auger ressonante (RAS). Os resultados obtidos mostraram um forte acoplamento eletrônico entre o polímero e o nanocompósito, o qual faz deste sistema um potencial candidato para aplicações em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos.

Two-dimensional (2D) materials of the Transition Metal Dicalcogenides (DMTs) family have been widely studied in recent years due to their excellent optical and electronic properties, which makes their use in optoelectronic devices possible. However, the development of a methodology for large-scale production of these DMT materials in their two-dimensional form is one of the major current challenges for the scientific and technological community. For this reason, in the present dissertation, a DMTs type exfoliation method has been proposed which combines mechanical ball milling exfoliation and ultrasonic bath liquid exfoliation which allows obtaining large amounts, ie concentration, of material with a relatively efficient efficiency. high. This method was applied specifically to MoS 2 , WS 2 and graphene from powder materials. In the first stage of this experimental study, we investigated in detail the influence of the grinding process parameters, specifically time, on the efficiency of the proposed exfoliation method. The milled materials for different times and the exfoliated material dispersions were characterized by X-ray diffraction (XRD), UV-Vis absorption spectroscopy and atomic force microscopy (AFM). In the second step a 2D/2D nanocomposite was prepared by combining the exfoliated MoS 2 and graphene (MoS 2 /graphene) materials and a hybrid MoS 2 /Gr/P3HT heterostructure from the nanocomposite and Poly (3-hexylthiophene) semiconductor polymer (P3HT). The nanocomposite morphology was studied by Scanning Electron Microscopy (SEM) and a map of their chemical composition was obtained by X-ray Dispersive Energy Spectroscopy (EDS). The electronic structure of the hybrid heterostructure was characterized by Raman Spectroscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS); X-ray Absorption Spectroscopy (NEXAS) and Resonant Auger Spectroscopy (RAS). The results showed a strong electronic coupling between polymer and nanocomposite, which makes this system a potential candidate for applications in electronic and optoelectronic devices