OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO ÓXIDO DE GRAFENO E DO GRAFENO A PARTIR DE CARBOIDRATOS. Nome dos autores: Alexander Isac Nilton Braz Pereira 1 ; Salmo Moreira Sidel 2 ; Adão Lincon Bezerra Montel 3 1 Aluno do Curso de Engenharia Elétrica; Campus de Palmas; e-mail: alexandernbp10@hotmail.com PIVIC/UFT 2 Orientador(a) do Curso de Engenharia Civil; Campus de Palmas; e-mail: Sidel@mail.uft.edu.br 3 Co-orientador(a) do Curso de Engenharia Civil; Campus de Palmas; e-mail: montel@hotmail.com RESUMO O carbono é um elemento versátil, do qual provém o grafeno, um composto formado por folhas de espessura microscópica capazes de conduzir eletricidade. Todo material semicondutor é composto por bandas de condução, da qual os elétrons mudam de uma camada para outra. O presente projeto tem como objetivo a síntese de grafeno a partir da desidratação de carboidratos e ácidos minerais, seguido da oxidação do produto. Constitui-se na síntese e caracterização dos compostos grafeno e óxido de grafeno. A síntese foi realizada por meio de métodos químicos e a caracterização para confirmação da obtenção do grafeno e do óxido de grafeno tem como base as técnicas de difração de raios-x, espectrofotometria ultra violeta e microscopia eletrônica de varredura. A amostra resultante está com um bom nível de oxidação, porém, os níveis de impurezas encontradas na amostra como: ácido sulfúrico, carbono grafite e derivados é elevado. Isto ocorre devido ao método de purificação adotado. Palavras-chave: grafeno, óxido de grafeno, difração de raios-x, espectrofotometria ultra violeta, microscopia eletrônica de varredura. INTRODUÇÃO A elevação da temperatura é uma variável de extrema importância a ser considerada no projeto ou em análises de circuitos eletrônicos. Ela afeta direta e indiretamente todas as características de um dispositivo semicondutor, como desempenho e confiabilidade (DUTRA et al. 2000). Materiais semicondutores têm ampla utilização podendo ter aplicação tanto em aparelhos simples quanto em sistemas mais complexos, como por exemplo, em microcomputadores.
Considerado até recentemente um objeto virtual, a produção das primeiras amostras de mono ou bicamada de grafeno por clivagem mecânica alavancou uma corrida ao estudo fundamental deste material (FURTADO et al. [sd] ). Ele está sendo extraído do carbono grafite, o qual é formado por átomos de carbono ligado em cadeia de vários hexágonos com um átomo de espessura. O carbono é um elemento único e muito versátil que é capaz de formar diferentes arquiteturas em nanoescala (TERRONES et al. 2010). É devido a essa versatilidade, que acredita-se numa possível utilização do grafeno como semicondutor mais eficiente do que os conhecidos atualmente. Isto ocorre porque em vários pontos da banda de condução do grafeno, o band gap (diferença energética entre o topo da banda de valência e o fundo da banda de condução) é igual à zero. O grafeno é um cristal bidimensional composto por átomos de carbono que tem hibridização sp² e forma geométrica hexagonal (TERRONES et al. 2010). Assim, é possivel entender que o grafeno tem apenas um átomo de espessura e se enrolado cria nanotubos de carbono que conduz eletricidade. As principais vantagens são que suas propriedades elétricas podem ser controladas por campos eletromagnéticos. Medições de transporte, realizada recentemente com grafeno, utilizando uma camada de um átomo de espessura de grafite, levaram a uma serie de observações surpreendentes. Fenômenos como o efeito hall quântico, por exemplo, não estão em conformidade com a teoria bem estabelecida de transporte eletrônico em sistemas bidimensionais. Como a teoria foi desenvolvida para descrever o comportamento de gases bidimensionais de elétrons hospedados em heteroestruturas de semicondutores convencionais, o comportamento observado no grafeno sugere que este material é fundamentalmente diferente (HEERSCHEE et al, 2007, p. 72). Isto ocorre devido ao comportamento do grafeno que, no baixo consumo de energia, faz com que o movimento dos elétrons seja comandado pela equação relativística de Poul Dirac, para partículas sem massa, e não pela equação de Schrodinger. Um trabalho científico relacionado a estudos sobre o grafeno, pode trazer novas informações para a utilização desse material na criação de novos dispositivos eletrônicos, além de menores custos da técnologia de obtenção, devido ser mais fácil encontrar na natureza do que outros materiais semicondutores. A questão hoje é encontrar uma forma barata de sintetizar o grafeno de forma a reduzir os custos dos materiais em que ele estiver contido.
O grafeno tem-se mostrado como potencial substituto para os atuais semicondutores. O uso efetivo, entretanto, exige uma rota de síntese economicamente viável e a introdução de um band gap neste composto capaz de viabilizar seu uso como um semicondutor para desenvolvimento de processadores mais velozes. Este trabalho pretende investigar uma rota de síntese de baixo custo bem como alguns possíveis compostos de dopagem capazes de introduzir um band gap satisfatório para viabilização do uso deste material. MATERIAL E MÉTODOS Esta pesquisa científica baseia-se no seguinte: - A síntese do óxido de grafeno foi realizada pela desidratação de carboidratos com ácidos minerais seguida da oxidação do produto resultante com peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ). O produto (óxido de grafeno) obtido foi isolado (filtração/secagem) e submetido à redução química com boridreto de sódio (NaBH 4 ) obtendo-se então um óxido que pode ser o grafeno. A preparação de formas dopadas do grafeno ocorreu com adição em solução dos dopantes durante a síntese do grafeno. - A caracterização química do produto foi realizada por espectroscopia ultra violeta e microscopia eletrônica de varredura (MEV). - Em um béquer foi adicionado 3,42g de sacarose (0,01mol), 39,3ml de ácido sulfúrico concentrado (H 2 SO 4 ) e 27,3ml de peróxido de hidrogênio. - A quantidade de massa/volume utilizadas foi de acordo à proporção de Hummers. - Pesou-se a sacarose em um béquer e adicionou-se lentamente ácido com eventual agitação, resfriando em banho de gelo. Em seguida foi adicionado lentamente o peróxido de oxigênio. - Homogenizou-se e deixou reagindo até que o escurecimento da amostra foi completo (O processo leva 24 horas). - O precipitado (óxido de grafeno) foi dissolvido em água e adicionado na centrifuga (É feita duas lavagens). - Com uma pipeta pasteur, foi recolhido parte da amostra e colocada em uma lamina para ser levada à mufla com temperatura de 50 graus célsius.
RESULTADOS E DISCUSSÃO A B Fig.1: (a) Microscopia eletrônica de varredura (MEV) de óxido de grafeno com aproximação de x 2,500. (b) Microscopia eletrônica de varredura (MEV) de óxido de grafeno com aproximação de x 5,000. Fig.2: Espectrofotometria UV do óxido de grafeno. O material obtido foi observado por microscopia eletrônica de varredura (MEV), revelando características típicas de óxido de grafite (cor e ranhuras). A grande solubilidade do óxido de grafite formado torna a separação deste material bastante laboriosa e resultou em um atraso nas análises químicas. O aquecimento para a separação da fase líquida causa um escurecimento do sólido sugerindo uma modificação química pós-síntese talvez decorrente da decomposição de grupos hidroxil durante o tratamento térmico. Conforme obsevado na fig. 1, a amostra não ficou homogênea, ocorrendo uma formação de aglomerados com tamanhos de 3 a 7 micrômetros, decorrente de impurezas como ácido sulfúrico, alcatrão, e carbono. A formação das protuberâncias ocorreu
devido ao método de purificação da amostra adotado (por decantação e não por ultrassom como é a metodologia padrão). Segundo Sametband et al (2012), a espectrofotometria ultra violeta indicou que o grafite foi oxidado para óxido de grafeno, com um pico de absorção típico de aproximadamente 237 nm. Ao analisar o gráfico da fig. 2, nota-se que o pico ocorreu entre 290 e 300 nm. Comparando os dois resultados, torna-se notória que essa diferença ocorre devido às impurezas encontradas nas amostras. LITERATURA CITADA DUTRA, A. D. et al.. Caracterização da Variação de Parâmetros de Diodos e Transistores em função da Temperatura. Disponível em: <://www.cpdee.ufmg.br/~jramirez/disciplinas/materiais/trab6.pdf>. Acesso em: 01 dez. 2010. TORRONES, M. et al. Graphene and Graphite Nanoribbons: Morphology, Properties, Synthesis, Defects and Applications. A. A. Science. 2010, 351,372. FURTADO, A. C. et al. Grafeno: Obtenção de Folhas e Nanofitas Isoladas em Solução e Depositadas como filmes finos e transparentes. [sd]. Disponivel em: <:// http://sec.sbq.org.br/cdrom/32ra/resumos/t1724-1.pdf >. Acesso em 03 mar. 2011. SWART, J. W. Conceitos básicos para semicondutores. 2008. Disponível em: <http://www.ccs.unicamp.br/fee107/download/cap02.pdf>. Acesso em: 01 dez. 2010. SWART, J. W. Conceitos básicos para semicondutores. 2008. Disponível em: <http://www.ccs.unicamp.br/cursos/fee107/download/cap03.pdf>. Acesso em: 01 dez. 2010. SAMETBAND, M. et al. Graphene oxide microspheres prepared by a simple, one-step ultrasonication method. NewJ. Chem., 2012, 36, 36 39 AGRADECIMENTOS O presente trabalho foi realizado com o apoio do LabMic/UFG pelas medidas de MEV ao LabMic/UFG pelas medidas de MEV