Método potenciodinâmico aplicado ao estudo da difusão iônica limitada por camada porosa em substratos de ITO

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Programa de Pós-Graduação em Física, Florianópolis, 2013.Esta dissertação tem como objetivo estudar o comportamento do substrato transparente condutor composto por óxido de índio dopado com estanho (ITO) durante tratamento catódico em eletrólitos inertes de NaCl, KCl, KI e AlCl3, em diferentes concentrações possuindo a mesma força iônica e em seu pH natural. Após o tratamento é observada a formação de partículas esféricas metálicas de In-Sn, decorrentes da redução do ITO. A morfologia dos depósitos varia com o eletrólito usado e com a velocidade do processo de redução. Os resultados obtidos através dos estudos potenciodinâmicos dos eletrodos indicam um processo controlado por resistência ôhmica. O comportamento resistivo observado durante a formação da camada porosa metálica sugere a aplicação do modelo de resistência de camada porosa LPRM (do inglês Layer-Pore Resistance Model) para análise do processo. No entanto, o modelo LPRM, na forma como foi originalmente desenvolvido, não descreve bem o processo. Uma modificação ao modelo é proposta, a partir da qual, logra-se obter bons ajustes do modelo às curvas potenciodinâmicas. O conjunto de parâmetros extraído do ajuste de curvas obtidas com diferentes taxas de varredura mostra boa correlação com o crescimento da camada porosa e pode ser interpretado como uma medida do caminho difusivo que os íons do eletrólito necessitam percorrer para atingir a camada de ITO subjacente. A modificação da morfologia do substrato durante o processo de redução catódica foi caracterizada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM). Da análise da rugosidade superficial, obtida das micrografias de AFM, extraiu-se o comprimento de correlação, que mede a granularidade da camada porosa. Usando conceitos simples de passeio aleatório, foi possível estabelecer uma relação entre o caminho difusivo iônico determinado eletroquimicamente, e a morfologia da camada porosa, para os diferentes eletrólitos utilizados.Abstract : This work investigates the behavior of transparent conducting substrates composed of indium tin oxide (ITO) during cathodic treatment in inert aqueous electrolytes (NaCl, KCl, KI e AlCl3), using different concentrations with same ionic force. The treatment causes the formation of spherical metallic particles of In-Sn, resulting from ITO reduction. It is possible to observe that the morphology of deposits is affected by the electrolyte composition and sweep rate. Potentiodynamic studies indicate a process controlled by Ohmic resistance. The resistive behavior observed during growth of the porous metallic layer suggests the application of the Layer-Pore Resistance Model (LPRM) to analyze the results. However, the LPRM model, in its original form, does not give a good description of the process. A modified version of the LPRM is proposed, which yields very good fits to the potentiodynamic curves. The set of fit parameters extracted from the curves, obtained at different scan rates, shows a good correlation with the growth of the porous layer, and could be interpreted as a measure of diffusion paths that ions must travel to reach the underlying ITO layer. The changes on morphology of the substrates during the cathodic reduction was characterized by scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM). From the roughness analysis obtained from the AFM micrographs, a correlation length was determined that describes the granularity of the porous layer. Using simple concepts of random walk, it was possible to establish a relationship between the ionic diffusion path determined electrochemically, and the morphology of porous layer, for the different electrolytes used