Produção e caracterização de filmes finos de hexacianoferrato de níquel para estudos de armazenamento de energia e aplicações em spintrônica

Abstract

O Hexacianoferrato Férrico comumente referido como Azul da Prússia é o precursor de uma importante classe de compostos de valência mista chamados Hexacianometalatos. O Azul da Prússia e seus análogos têm atraído a atenção de diversos grupos de pesquisa devido às suas propriedades eletrocatalíticas, iônicas, magnéticas moleculares, fotossensíveis e eletroquímicas. Dos análogos do azul da Prússia, o hexacianoferrato de níquel (NiHCF), em particular, apresenta propriedades oxidação e redução atrativas no que diz respeita à sua capacidade eletroativa e adsorção de cátions do eletrólito. Essas propriedades estão diretamente ligadas à sua rede cúbica de face centrada que permite a intercalação/desintercalação de íons de metais alcalinos nos espaços intersticiais, de modo que o NiHCF é sensível a eles e de fácil detecção, além de favorecer o processo de armazenamento de energia. Existem vários métodos diferentes para a preparação dos filmes finos de NiHCF e, neste trabalho, foi utilizado o processo de derivação da camada eletrodepositada de níquel sobre um substrato de silício pela técnica de Voltametria Cíclica para diferentes números de ciclos. Foram utilizadas diversas técnicas experimentais para caracterizar os filmes, incluindo microscopia de força atômica, microscopia eletrônica de varredura, difratometria de raios-X, espectroscopia Raman, técnica de análise magnética e ciclos de carga/descarga. Através dessas técnicas, foi possível determinar a composição química, a morfologia, a estrutura cristalina, as propriedades magnéticas e o armazenamento de energia de cada filme fabricado. Os resultados exibiram modificações superficiais nas amostras, as quais estão intimamente ligadas à deformação nas camadas e alteração da rugosidade superficial dos filmes. Os ciclos de carga e descarga foram utilizados para determinar o armazenamento de energia em cada amostra. Os resultados evidenciaram que a rugosidade exerce influência na capacidade de armazenamento de energia de cada filme, revelando uma correlação entre essas duas propriedades. Também foram fabricadas nanoestruturas híbridas magnéticas formadas por NiHCF em contato atômico com filmes ferromagnéticos de permalloy (liga de ferro e níquel) com intuito de investigar mecanismos de geração e conversão de correntes de spin. Por fim, outro material magnético que poderia ser utilizado na fabricação das nanoestruturas e dispositivos spintrônicos é a granada de ítrio e ferro (YIG). Este material pode ser crescido por meio de diferentes técnicas, e no nosso trabalho, exploramos o crescimento de filmes de YIG em substratos granada de gadolínio e gálio (GGG) pela técnica de sputtering, seguido de tratamento térmico em atmosfera de oxigênio. Os filmes YIG foram fabricados com diferentes espessuras e foram caracterizados por diferentes técnicas experimentais para obter suas propriedades estruturais, morfológicas e magnéticas. Palavras-chave: Azul da Prússia. Hexacianoferrato de níquel. Eletrodeposição. Voltametria cíclica. Permalloy. Granada de ítrio e ferro. Sputtering.

The Ferric Hexacyanoferrate commonly referred to as Prussian Blue is the precursor of an important class of mixed valence compounds called Hexacyanometalates. Prussian Blue and its analogues have attracted the attention of several research groups due to their electrocatalytic, ionic, molecular magnet, photosensitive and electrochemical properties. From the analogues of the Prussian Blue nickel hexacyanoferrate (NiHCF) particularly, it has attractive oxidation and reduction properties with regard to its electroactive capacity and adsorption of cations from the electrolyte. These properties are directly linked to their face-centered cubic lattice that allows the intercalation/deinterleaving of alkali metal ions in the interstitial spaces, so that the NiHCF is sensitive to them and is easy to detect, as well as favoring the energy storage process. There are several different methods for preparing the thin films of NiHCF and in this work was used the process of derivation of nickel electrodeposited layer on a substrate of silicon by the technique of cyclic voltammetry for different numbers of cycles. Several experimental techniques were used to characterize the films, including atomic force microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction, Raman spectroscopy, magnetic analysis technique and charge/discharge cycles. The results showed surface changes in the samples, which are closely linked to deformation in the layers and change in the surface roughness of the films. Charge and discharge cycles were used to determine energy storage in each sample. The results evidence that roughness influences the energy storage capacity of each film, revealing a correlation between these two properties. Hybrid magnetic nanostructures formed by NiHCF in atomic contact with ferromagnetic films of permalloy (an alloy of iron and nickel) were also manufactured in order to investigate mechanisms of generation and conversion of spin currents. Finally, another magnetic material that could be used in the fabrication of nanostructures and spintronic devices is yttrium iron garnet (YIG). This material can be grown using different techniques, and in our work, we explored the growth of YIG films on gadolinium gallium garnet (GGG) substrates using the sputtering technique, followed by thermal treatment in an oxygen atmosphere. YIG films were produce with different thicknesses and were characterized by different experimental techniques to obtain their structural, morphological and magnetic properties. Keywords: Prussian Blue. Nickel hexacyanoferrate. Electrodeposition. Cyclic voltammetry. Permalloy. Yttrium iron garnet. Sputtering.