Síntese e caracterização de molibdatos de cálcio dopados com Tm3+ e avaliação para aplicação em sensores de umidade

Abstract

Nanometric ceramic oxides, such as calcium molybdate (CaMoO4), with a tetragonal scheelite structure, are interesting for application in humidity sensors, due to their structural stability at high temperature, chemical and mechanical stability, in addition to their semiconductor characteristics, which can be doped with rare earths in order to improve optical, sensory, catalytic properties, among others. In this work, the synthesis of CaMoO4 doped with Tm3+ in the form of powders and tablets was investigated using the microwave hydrothermal assisted co-precipitation method for application in humidity sensors. X-ray diffractometry (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopies (FTIR) and Raman evidence the presence of the tetragonal crystalline structure, of the scheelite type, found in all synthesized samples. Scanning Electron Microscopy (SEM) indicated a decrease in the size of the calcium molybdate particles according to the increase in the dopant concentration. The bandgap of the hydrothermally treated material at 100ºC varies little with the increase of the dopant concentration (3.9 eV and 3.7 eV, respectively for powders doped with up to 8% of thulium and with 12% Tm3+ ). In samples formed into tablets and heat treated at 1000ºC, there is a significant change in the bandgap value, with a value below 1.8 eV for the doped samples; however, the change to pure sample was subtle, and the calculated value was 3.7 eV. The projected material has yellow emission characteristics for low concentrations of thulium both at 100ºC and 1000ºC, with a pink color shift with an increase in the Tm3+ concentration. In this work, the use of molybdates doped with thulium to determine moisture was not sensitive to the method used, since all doped materials showed low capacitance signs, whereas pure molybdate was more suitable for application in sensors of humidity for presenting variation in capacitance when in the absence and presence of water.

Óxidos cerâmicos nanométricos, como o molibdato de cálcio (CaMoO4), com estrutura tetragonal scheelita, são interessantes para a aplicação em sensores de umidade, devido a sua estabilidade estrutural à alta temperatura, estabilidade química e mecânica, além suas de características semicondutoras, podendo ser dopados com terras raras de forma a melhorar as propriedades ópticas, sensoriais, catalíticas, entre outras. Neste trabalho foi investigado a síntese de CaMoO4 dopados com Tm3+ na forma de pós e pastilhas com o uso do método de co-precipitação assistido por hidrotermal de micro-ondas para aplicação em sensores de umidade. Difratometria de raios X (DRX) e espectroscopias de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e Raman evidenciam a presença da estrutura cristalina tetragonal, do tipo scheelita, constatada em todas as amostras sintetizadas. A Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) indicou a diminuição do tamanho das partículas de molibdato de cálcio de acordo com o aumento da concentração do dopante. O bandgap do material tratado hidrotermicamente a 100ºC varia pouco com o aumento da concentração do dopante (3,9 eV e 3,7 eV, respectivamente para os pós dopados com até 8% de túlio e com 12% Tm3+). Nas amostras conformadas em pastilhas e tratadas termicamente a 1000ºC, ocorre uma alteração significativa no valor do bandgap, com valor inferior a 1,8 eV para as amostras dopadas; entretanto a alteração para amostra pura foi sutil, o valor calculado foi de 3,7 eV. O material projetado apresenta características de emissão amarela para baixas concentrações de túlio tanto a temperatura de 100ºC, quanto para 1000ºC, com deslocamento para a cor rosada com o aumento da concentração de Tm3+ . Neste trabalho, o uso dos molibdatos dopados com túlio para determinação da umidade não se mostrou sensível para o método empregado, uma vez que todos os materiais dopados apresentaram baixos sinais de capacitância, enquanto, o molibdato puro se mostrou mais adequado para aplicação em sensores de umidade por apresentar variação na capacitância quando na ausência e na presença da água.