Estudo das terminações de superfície, coexistência de fases e absorção de água em materiais bidimensionais pela análise de crystal truncation rods
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
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Edmar Avellar Soares
Gilberto Rodrigues da Silva Junior
Gilberto Rodrigues da Silva Junior
Resumo
Esta dissertação é focada no estudo de superfícies de materiais bidimensionais usando o método Crystal Truncation Rod (CTR) e radiação síncrotron. Desenvolvemos um modelo de espalhamento cinemático capaz de combinar a coexistência de diferentes terminações de superfície em materiais nos quais a clivagem da superfície leva a um comportamento posicional não homogêneo observado por técnicas como microscopia de tunelamento e espectroscopia, microscopia infravermelha de campo próximo e microscopia de força atômica combinada com Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). As medições de CTR diferem das técnicas de microscopia em sua natureza estatística inerente, fornecida por uma grande área de amostra iluminada (neste caso, cerca de 20 × 30 µm2). Isso permite a identificação da coexistência de estruturas de superfície, produzindo a fração da superfície terminada em cada fase ou subunidade constituinte para uma amostra lamelar. A técnica também torna possível iluminar domínios monocristalinos, como flocos esfoliados com tamanhos laterais de dezenas de micrômetros (tamanho de amostra usual para materiais bidimensionais). Nosso modelo foi inicialmente testado em materiais binários como In2Se3 e Sb4Te3, e posteriormente estendido para filossilicatos derivados de minerais. Finalmente, o foco principal do estudo foi em três filossilicatos com diferentes composições: talco, flogopita e clinocloro. Nestes três materiais, diferentes mecanismos de absorção de água são responsáveis por comportamentos distintos observados na espectroscopia de infravermelho. As medições e análises de CTR realizadas nestes minerais permitem a geração de modelos estruturais que descrevem e complementam os resultados para potenciais de superfície observados por KPFM e infravermelho, construindo um cenário abrangente para entender seu uso potencial em aplicações futuras.
Abstract
This dissertation is focused on the study of surfaces of two-dimensional materials using the Crystal Truncation Rod (CTR) method and synchrotron radiation. We developed a kinematic scattering model capable of combining the coexistence of different surface terminations in materials in which surface cleavage leads to inhomogeneous positional behavior observed by techniques such as tunneling microscopy and spectroscopy, near-field infrared microscopy, and atomic force microscopy combined with Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). CTR measurements differ from microscopy techniques in their inherent statistical nature, provided by a large illuminated sample area (in this case, about 20 × 30 µm2). This allows the identification of coexistence of surface structures, yielding the fraction of the surface terminated in each phase or constituent subunit for a lamellar sample. The technique also make possible to illuminate single-crystalline domain such as exfoliated flakes with lateral sizes of tens of micrometers (usual sample size for two-dimensional materials). Our model was initially tested on binary materials such as In2Se3 and Sb4Te3, and was later extended to mineral-derived phyllosilicates. Finally, the main focus of the study was on three phyllosilicates with different compositions: talc, phlogopite, and clinochlore. In these three materials, different water absorption mechanisms are responsible for distinct behaviors observed in infrared spectroscopy. The CTR measurements and analyses carried out in these minerals allow for the generation of structural models that describe and complement the results for surface potentials observed by KPFM and infrared, constructing a comprehensive scenario for understanding their potential use on forthcoming applications.
Assunto
Filossilicatos, Difração de raios X
Palavras-chave
Crystal truncation rod, Nanoconfinamento de água, Filossilicatos, Difração de raio-X
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