cercetĂri privind materiale · doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna...

38
UNIVERSITATEA „AL. I. CUZA” IAŞI FACULTATEA DE FIZICĂ Rezumatul tezei de doctorat CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE MAGNETICE NANOCOMPOZIT DIN SISTEMUL Co-TiO 2 Mariana POIANĂ (căs. Hogaş) Conducător ştiinţific, Prof. Univ. Dr. Violeta Georgescu 2012

Upload: others

Post on 15-Jan-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

UNIVERSITATEA bdquoAL I CUZArdquo IAŞI

FACULTATEA DE FIZICĂ

Rezumatul tezei de doctorat

CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE

MAGNETICE NANOCOMPOZIT DIN

SISTEMUL Co-TiO2

Mariana POIANĂ (căs Hogaş)

Conducător ştiinţific

Prof Univ Dr Violeta Georgescu

2012

Icircn atenţia

UNIVERSITATEA bdquoALEXANDRU IOAN CUZArdquo IAŞI

Vă facem cunoscut că icircn data de 29 septembrie 2012 orele 1100 icircn

Amfiteatrul IV 13 drd Poiană (căs Hogaş) Mariana va susţine icircn şedinţă

publică teza de doctorat

CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE MAGNETICE

NANOCOMPOZIT DIN SISTEMUL Co-TiO2

icircn vederea obţinerii titlului ştiinţific de doctor icircn domeniul Fizică

Comisia de doctorat are următoarea componenţă

Preşedinte

Conf univ dr Sebastian POPESCU

Decan al Facultăţii de Fizică Universitatea bdquoAlexandru Ioan Cuzardquo Iaşi

Conducător ştiinţific

Prof univ dr Violeta GEORGESCU Facultatea de Fizică Universitatea bdquoAlexandru Ioan Cuzardquo Iaşi

Referenţi

CPI dr Jenica NEAMŢU

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Electrică

Bucureşti

CPI Dr Nicoleta LUPU

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică Tehnică - IFT

Iaşi

Prof univ dr Ovidiu Florin CĂLȚUN

Facultatea de Fizică Universitatea bdquoAlexandru Ioan Cuzardquo Iaşi

Vă transmitem rezumatul tezei şi vă invităm să participaţi la şedinţa

publică a tezei

Doresc să icircmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof univ dr

Violeta Georgescu conducătorul știinţific al tezei pentru atenţia deosebită cu care m-

a icircndrumat pentru icircncrederea acordată pe parcursul stagiului de doctorat precum şi

pentru sprijinul permanent acordat la elaborarea şi finalizarea tezei de doctorat

Mulţumesc membrilor comisiei de icircndrumare și icircn mod deosebit domnului

prof univ dr Ovidiu Florin Călțun pentru sfaturile primite pe parcursul redactării

tezei și pentru acceptul de a analiza această teză de doctorat

De asemenea aduc mulţumiri domnului asist dr Valentin Nica pentru

sprijinul acordat pentru măsurătorile de difracție de radiație X (XRD) și domnului

cerc dr Marius Dobromir pentru măsurătorile de spectroscopie de fotoelectroni

(XPS) experimentele fiind efectuate icircn laboratoarele Facultății de Fizică

Doresc să mulţumesc icircn mod deosebit domnului prof univ dr Ion Sandu de

la Universitatea Alexandru Ioan Cuza din Iaşi şi domnului Andrei Victor Sandu de la

Facultatea de Inginerie şi Ştiinţa Materialelor (Universitatea Tehnică rdquoGheorghe

Asachirdquo) pentru sprijinul acordat icircn realizarea măsurătorilor de microscopie

electronică cu baleiaj (SEM)

Nu in ultimul racircnd mulţumesc familiei pentru icircnţelegerea şi susţinerea

acordate pe toată perioada pregătirii tezei de doctorat

Această teză de doctorat a fost realizată cu sprijinul financiar

obţinut din ldquoProiectul POSDRU8815S47646 cofinanţat din Fondul

Social European prin Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea

Resurselor Umane 2007 ndash 2013rdquo

Cuprins

Introducerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

Capitolul 1 Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul materialelor magnetice

nanocompozithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

11 Noţiuni generale privind materialele magnetice nanocompozithelliphelliphelliphelliphelliphellip10

12 Stadiul actual al cercetărilor privind materialele magnetice nanocompozit pe baza

de TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

Capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea electrochimică a

straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

21 Noțiuni de bază privind metoda electrolitică de preparare a materialelor

nanocompozithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

211 Electrodepunerea metalelorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

212 Stratul dublu electrochimic Modele ale stratului dublu electrochimichelliphellip27

213 Investigarea depunerii straturilor subţiri de cobalthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

214 Mecanisme şi modele de codepunere electrolitică a materialelor de tip

microcompozit şi nanocompozit 32

22 Cercetări experimentale privind prepararea unor straturi subțiri nanocompozit din

sistemul CondashTiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

221 Prezentarea instalaţiei şi a condiţiilor de lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

222 Soluţii utilizate icircn vederea preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-

TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

223 Studiul proceselor de electrodepunere a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin

voltametrie ciclicăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

224 Studiul influenţei potenţialului de referinţă al catodului asupra rezistenţei

electrice la interfaţa catod - electrolithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

23 Prepararea seriilor de probe nanocompozit Co-TiO2 şi studiul variaţiei densităţii

de curent icircn timpul depunerii electroliticehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

231 Prepararea seriilor de probe nanocompozit Co-TiO2 şi parametrii de

lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

232 Studiul variaţiei densității curentului icircn timpul depunerii electrolitice icircn cazul

filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin metoda

cronoamperometricăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

24 Concluzii parţialehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

31 Caracterizarea structurală a straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 prin

difractometrie de radiaţie Xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

311 Noţiuni de bază privind caracterizarea straturilor subţiri prin difractometria

de raze X (XRD)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

312 Rezultate experimentale obţinute prin difractometria de radiaţii X privind

structura cristalină a straturilor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria Ahellip68

313 Rezultate experimentale privind structura cristalină a straturilor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse la valori diferite ale tensiunii de

electrodepunere (seria D)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73

314 Caracterizarea straturilor subţiri nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria

F prin difractometria de raze X (XRD)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip75

315 Rezultate experimentale privind structura cristalină a straturilor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria G depuse la valori diferite ale vitezei

de agitare a soluţiei electrolitice helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip77

316 Caracterizarea probelor nanocompozit de Co-TiO2 electrodepuse la diferite

densităţi de curent prin difractometrie de radiaţii X (seria H)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip79

32 Caracterizarea morfologică a straturilor subţiri de Co-TiO2 prin microscopie

electronică (SEM)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip81

321 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică a straturilor

nanocompozit obţinută prin utilizarea spectrometriei dispersive de raze X (EDS sau

EDAX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip81

322 Rezultate experimentale privind morfologia straturilor nanocompozit pe bază

de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip91

33 Aspecte privind caracterizarea straturilor de Co-TiO2 folosind tehnica

spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip104

331 Descrierea metodei de lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip104

332 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică şi caracterizarea

straturilor din seria Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip105

333 Rezultate experimentale privind influenţa tensiunii de electrodepunere

asupra compoziţiei chimice a straturilor din seria Dhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip109

334 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică la suprafaţa stratului

pentru probele cu grosime diferită (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip113

335 Rezultate experimentale privind influenţa densităţii de curent asupra

compoziţiei chimice a straturilor nanocompozit de Co-TiO2 din seria Hhelliphelliphellip116

34 Concluzii privind structura morfologia şi compoziţia straturilor nanocompozit de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip119

Capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

41 Determinarea caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co - TiO2 prin metoda inductometricăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

411 Metoda de inducție utilizată pentru caracterizarea straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

412 Influenta concentraţiei de nanoparticule de TiO2 din soluția electrolitică

asupra caracteristicilor magnetice ale straturilor nanocompozit din seriile A şi

Bhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip124

413 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra caracteristicilor magnetice ale

straturilor subțiri nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi Dhelliphelliphelliphelliphelliphellip133

414 Influenţa grosimii straturilor nanocompozit din seriile E şi F asupra

caracteristicilor magneticehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip140

415 Rezultate privind influenta vitezei agitatorului magnetic asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 (seria

G)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip150

416 Influenţa densităţii de curent asupra caracteristicilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit pe bază de Co-TiO2 (seria H)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip153

417 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip157

42 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit Co-

TiO2 prin metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

421 Studiul caracteristicilor magnetice prin metoda magnetometrului de

torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

422 Experimente privind influenţa concentraţiei de TiO2 din soluţia electrolitică

asupra anizotropiei magnetice a straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2

(seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip161

423 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi D helliphelliphelliphelliphellip164

424 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 (seriile E şi F)helliphelliphelliphelliphelliphellip168

425 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria G electrodepuse cu diferite viteze de agitare a

soluţieihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip172

426 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria H electrodepuse la valori diferite ale densităţii

de curent (J)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip174

427 Discuţia rezultatelor şi concluzii privind influenţa parametrilor de lucru

asupra constantei de anizotropie magnetică şi a direcţiei axei de uşoară

magnetizare a filmelor de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip175

Capitolul 5 Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

51 Cercetări privind magnetorezistenţa probelor nanocompozit Co-TiO2helliphelliphelliphellip177

511 Modul de lucru pentru determinarea magnetorezistenţeihelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

512 Efectul de magnetorezistenţă pentru probele depuse pe substrat de Cu din

soluţii electrolitice cu concentraţia de TiO2 diferită (seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphellip179

513 Cercetări privind efectul de magnetorezistenţă pentru probele din seriile C şi

D depuse la valori diferite ale tensiunii de electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip182

514 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra rezistenţei şi

magnetorezistenţei (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip185

515 Studiul R(H) şi MR(H) a filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 obţinute

prin electrodepunere la diferite viteze de agitare a soluţiei electroliticehelliphelliphellip186

516 Studiul proprietăţilor de transport pentru filmele nanocompozit pe bază de

Co-TiO2 obţinute prin electrodepunere icircn regim galvanostatic helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip187

517 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

funcţionale ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip189

52 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale morfologice

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphellip190

521 Prezentarea probelor şi a modului de realizare a tratamentului termic hellip192

522 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse icircn regim galvanostatichelliphelliphelliphelliphellip193

523 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei şi caracteristicilor

morfologice ale filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip197

524 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip200

525 Influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip203

526 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin

metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip208

527 Cercetări privind influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor de

transport ale straturilor nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip215

528 Concluzii privind influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor

structurale morfologice magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip218

53 Cercetări preliminare privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de Co şi de Co-TiO2219

531 Prezentarea fenomenelor de magnetizare fotoindusă şi de magnetizare prin

fototunelare 220

532 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra morfologiei şi

compoziţiei straturilor nanocompozit de Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip222

533 Influenţa radiaţiei UV asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip222

534 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip224

535 Influenţa radiaţiei UV asupra rezistentei electrice a filmelor subţiri de Co şi

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip227

536 Concluzii privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri de Co şi straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2236

54 Caracterizarea şi comportamentul fotocatalitic al straturilor de Co-TiO2 sub

influenţa radiaţiei UVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

541 Prezentarea rezultatelor experimentale din literatura de specialitate privind

proprietăţile fotocatalitice ale TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

542 Cercetări experimentale privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul

straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip240

543 Concluzii privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip244

Concluziihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip245

Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip248

Anexehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 1 Lista lucrărilor ştiinţifice publicate şi a comunicărilor stiinţifice realizate icircn

cadrul tezei de doctorathelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 2 Lucrări publicate

Introducere

Icircn urma descoperirii feromagnetismului la temperatura camerei icircn

semiconductorii de dioxid de titan dopaţi cu Co o mare atenţie a fost

concentrată pe studiul filmelor de TiO2 dopat cu Co datorită potenţialelor

aplicaţii icircn spintronică Am ales să studiem acest material compozit datorită

proprietăților semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn fotocataliză şi

fotoelectrocataliză cacirct şi proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului dar mai

ales datorită faptului că aceste caracteristici nu au mai fost studiate pentru

straturile nanocompozit de Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice Astfel au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru mai multe serii de probe la care au fost

modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din soluţia electrolitică

cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă grosimea stratului depus d

viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi densitatea de curent aplicată icircn

timpul electrodepunerii J Icircn fiecare caz ceilalţi parametri de lucru au fost

menţinuţi la valoare constantă

Pentru studiul caracteristicilor magnetice s-au trasat ciclurile de

histerezis şi curbele de torsiune din care au fost determinate următoarele

mărimi caracteristice magnetizaţia de saturaţie Ms magnetizaţia remanentă

Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi factor de rectangularitate a

ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK constanta efectivă de

anizotropie Kef Tipul de anizotropie a filmelor de Co şi Co-TiO2 a fost

determinat din curbele de torsiune Icircn vederea găsirii unor posibilităţi pentru

aplicaţii tehnologice au fost studiate proprietăţile de transport ale filmelor din

care au fost determinate rezistenţa R şi magnetorezistenţa MR a probelor

Icircn capitolul 1 intitulat Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul

materialelor magnetice nanocompozit sunt prezentate cacircteva noţiuni cu

privire la caracteristicile materialelor nanocompozit şi o parte dintre rezultatele

experimentale obţinute de către alţi autori icircn domeniul materialelor

nanocompozit pe baza de TiO2 Astfel prin nanocompozit se icircnțelege un

material solid multifazic conținacircnd două sau mai multe faze icircn care una din

faze are una două sau trei dimensiuni de ordinul nanometrilor adică este de

mărime mai mică decacirct 100 nanometri (nm) [1] Materialele nanocompozit pot

fi clasificate icircn trei categorii diferite icircn funcţie de natura materialelor matrice

și anume a) nanocompozite cu matrice ceramică b) nanocompozite cu matrice

metalică și c) nanocompozite cu matrice polimerică [2]

De la descoperirea lor de către Matsumoto şi colaboratorii [3] filmele

subţiri de Co-TiO2 icircn matrice semiconductoare de TiO2 au atras atenţia multor

cercetători datorită valorii icircnalte a temperaturii Curie (Tc) şi a existenţei

fenomenului de feromagnetism indus Icircn literatura de specialitate sunt

prezentate rezultate experimentale privind caracteristicile structurale

morfologice magnetice şi optice ale filmelor nanocompozit de Co-TiO2 icircn

care dopantul Co este inclus icircn materialul semiconductor TiO2 [3 4]

Conform literaturii de specialitate din ultimii ani au fost publicate

lucrări privind co-depunerea electrolitică de TiO2 cu componenta metalică Ni

Cu Ag şi Zn [5 6] Caracteristicile nanocompozitelor sunt influenţate de

parametrii de depunere şi anume de tipul curentului de depunere compoziţia

soluției electrolitice pH-ul băii concentraţia de particule şi temperatura

Straturile compozit electrodepuse produc icircmbunătățirea unor proprietăţi ale

materialelor pe care se depun cum ar fi microduritatea rezistenţa la uzură

avacircnd și o rezistenţă la coroziune remarcabilă [7 8] Aceste proprietăţi

icircmbunătățite depind icircn principal de natura particulelor co-depuse precum şi de

distribuţia particulelor icircn matricea metalică (de morfologia probelor)

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice

Am ales să studiem acest material compozit datorită proprietăților

semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn focataliză şi fotoelectrocataliză şi

proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului şi datorită faptului că aceste

caracteristici nu au mai fost studiate pentru straturile nanocompozit de Co-

TiO2 icircn matrice metalică de Co Proprietăţile structurale şi morfologice

precum şi rezistenţa la coroziune a filmelor nanocompozit Co-TiO2 icircn matrice

metalică de Co au fost studiate de către S Sanjabi şi A Shirani [9]

Icircn capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea

electrochimică a straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2

sunt prezentate noţiunile de bază cu privire la mecanismul de preparare

electrolitică şi rezultatele experimentale obţinute din studiile de voltametrie

ciclică şi cronoamperometrie privind tipul de nucleaţie şi creştere a filmelor

de Co şi Co-TiO2

Straturile subţiri nanocompozit Co-TiO2 studiate icircn cadrul tezei au fost

preparate prin metoda electrolitică pe substrat de cupru folosind o soluție de

depunere pe bază de sulfat de cobalt cu conţinut de nanoparticule de TiO2

dispersate icircn condiții de agitare a soluției electrolitice Electrodepunerea şi

experimentele necesare caracterizării probelor magnetice de Co şi a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 au fost realizate la temperatura camerei

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 2: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

Icircn atenţia

UNIVERSITATEA bdquoALEXANDRU IOAN CUZArdquo IAŞI

Vă facem cunoscut că icircn data de 29 septembrie 2012 orele 1100 icircn

Amfiteatrul IV 13 drd Poiană (căs Hogaş) Mariana va susţine icircn şedinţă

publică teza de doctorat

CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE MAGNETICE

NANOCOMPOZIT DIN SISTEMUL Co-TiO2

icircn vederea obţinerii titlului ştiinţific de doctor icircn domeniul Fizică

Comisia de doctorat are următoarea componenţă

Preşedinte

Conf univ dr Sebastian POPESCU

Decan al Facultăţii de Fizică Universitatea bdquoAlexandru Ioan Cuzardquo Iaşi

Conducător ştiinţific

Prof univ dr Violeta GEORGESCU Facultatea de Fizică Universitatea bdquoAlexandru Ioan Cuzardquo Iaşi

Referenţi

CPI dr Jenica NEAMŢU

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Inginerie Electrică

Bucureşti

CPI Dr Nicoleta LUPU

Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică Tehnică - IFT

Iaşi

Prof univ dr Ovidiu Florin CĂLȚUN

Facultatea de Fizică Universitatea bdquoAlexandru Ioan Cuzardquo Iaşi

Vă transmitem rezumatul tezei şi vă invităm să participaţi la şedinţa

publică a tezei

Doresc să icircmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof univ dr

Violeta Georgescu conducătorul știinţific al tezei pentru atenţia deosebită cu care m-

a icircndrumat pentru icircncrederea acordată pe parcursul stagiului de doctorat precum şi

pentru sprijinul permanent acordat la elaborarea şi finalizarea tezei de doctorat

Mulţumesc membrilor comisiei de icircndrumare și icircn mod deosebit domnului

prof univ dr Ovidiu Florin Călțun pentru sfaturile primite pe parcursul redactării

tezei și pentru acceptul de a analiza această teză de doctorat

De asemenea aduc mulţumiri domnului asist dr Valentin Nica pentru

sprijinul acordat pentru măsurătorile de difracție de radiație X (XRD) și domnului

cerc dr Marius Dobromir pentru măsurătorile de spectroscopie de fotoelectroni

(XPS) experimentele fiind efectuate icircn laboratoarele Facultății de Fizică

Doresc să mulţumesc icircn mod deosebit domnului prof univ dr Ion Sandu de

la Universitatea Alexandru Ioan Cuza din Iaşi şi domnului Andrei Victor Sandu de la

Facultatea de Inginerie şi Ştiinţa Materialelor (Universitatea Tehnică rdquoGheorghe

Asachirdquo) pentru sprijinul acordat icircn realizarea măsurătorilor de microscopie

electronică cu baleiaj (SEM)

Nu in ultimul racircnd mulţumesc familiei pentru icircnţelegerea şi susţinerea

acordate pe toată perioada pregătirii tezei de doctorat

Această teză de doctorat a fost realizată cu sprijinul financiar

obţinut din ldquoProiectul POSDRU8815S47646 cofinanţat din Fondul

Social European prin Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea

Resurselor Umane 2007 ndash 2013rdquo

Cuprins

Introducerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

Capitolul 1 Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul materialelor magnetice

nanocompozithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

11 Noţiuni generale privind materialele magnetice nanocompozithelliphelliphelliphelliphelliphellip10

12 Stadiul actual al cercetărilor privind materialele magnetice nanocompozit pe baza

de TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

Capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea electrochimică a

straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

21 Noțiuni de bază privind metoda electrolitică de preparare a materialelor

nanocompozithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

211 Electrodepunerea metalelorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

212 Stratul dublu electrochimic Modele ale stratului dublu electrochimichelliphellip27

213 Investigarea depunerii straturilor subţiri de cobalthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

214 Mecanisme şi modele de codepunere electrolitică a materialelor de tip

microcompozit şi nanocompozit 32

22 Cercetări experimentale privind prepararea unor straturi subțiri nanocompozit din

sistemul CondashTiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

221 Prezentarea instalaţiei şi a condiţiilor de lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

222 Soluţii utilizate icircn vederea preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-

TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

223 Studiul proceselor de electrodepunere a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin

voltametrie ciclicăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

224 Studiul influenţei potenţialului de referinţă al catodului asupra rezistenţei

electrice la interfaţa catod - electrolithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

23 Prepararea seriilor de probe nanocompozit Co-TiO2 şi studiul variaţiei densităţii

de curent icircn timpul depunerii electroliticehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

231 Prepararea seriilor de probe nanocompozit Co-TiO2 şi parametrii de

lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

232 Studiul variaţiei densității curentului icircn timpul depunerii electrolitice icircn cazul

filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin metoda

cronoamperometricăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

24 Concluzii parţialehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

31 Caracterizarea structurală a straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 prin

difractometrie de radiaţie Xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

311 Noţiuni de bază privind caracterizarea straturilor subţiri prin difractometria

de raze X (XRD)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

312 Rezultate experimentale obţinute prin difractometria de radiaţii X privind

structura cristalină a straturilor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria Ahellip68

313 Rezultate experimentale privind structura cristalină a straturilor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse la valori diferite ale tensiunii de

electrodepunere (seria D)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73

314 Caracterizarea straturilor subţiri nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria

F prin difractometria de raze X (XRD)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip75

315 Rezultate experimentale privind structura cristalină a straturilor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria G depuse la valori diferite ale vitezei

de agitare a soluţiei electrolitice helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip77

316 Caracterizarea probelor nanocompozit de Co-TiO2 electrodepuse la diferite

densităţi de curent prin difractometrie de radiaţii X (seria H)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip79

32 Caracterizarea morfologică a straturilor subţiri de Co-TiO2 prin microscopie

electronică (SEM)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip81

321 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică a straturilor

nanocompozit obţinută prin utilizarea spectrometriei dispersive de raze X (EDS sau

EDAX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip81

322 Rezultate experimentale privind morfologia straturilor nanocompozit pe bază

de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip91

33 Aspecte privind caracterizarea straturilor de Co-TiO2 folosind tehnica

spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip104

331 Descrierea metodei de lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip104

332 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică şi caracterizarea

straturilor din seria Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip105

333 Rezultate experimentale privind influenţa tensiunii de electrodepunere

asupra compoziţiei chimice a straturilor din seria Dhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip109

334 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică la suprafaţa stratului

pentru probele cu grosime diferită (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip113

335 Rezultate experimentale privind influenţa densităţii de curent asupra

compoziţiei chimice a straturilor nanocompozit de Co-TiO2 din seria Hhelliphelliphellip116

34 Concluzii privind structura morfologia şi compoziţia straturilor nanocompozit de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip119

Capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

41 Determinarea caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co - TiO2 prin metoda inductometricăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

411 Metoda de inducție utilizată pentru caracterizarea straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

412 Influenta concentraţiei de nanoparticule de TiO2 din soluția electrolitică

asupra caracteristicilor magnetice ale straturilor nanocompozit din seriile A şi

Bhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip124

413 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra caracteristicilor magnetice ale

straturilor subțiri nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi Dhelliphelliphelliphelliphelliphellip133

414 Influenţa grosimii straturilor nanocompozit din seriile E şi F asupra

caracteristicilor magneticehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip140

415 Rezultate privind influenta vitezei agitatorului magnetic asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 (seria

G)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip150

416 Influenţa densităţii de curent asupra caracteristicilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit pe bază de Co-TiO2 (seria H)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip153

417 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip157

42 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit Co-

TiO2 prin metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

421 Studiul caracteristicilor magnetice prin metoda magnetometrului de

torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

422 Experimente privind influenţa concentraţiei de TiO2 din soluţia electrolitică

asupra anizotropiei magnetice a straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2

(seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip161

423 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi D helliphelliphelliphelliphellip164

424 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 (seriile E şi F)helliphelliphelliphelliphelliphellip168

425 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria G electrodepuse cu diferite viteze de agitare a

soluţieihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip172

426 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria H electrodepuse la valori diferite ale densităţii

de curent (J)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip174

427 Discuţia rezultatelor şi concluzii privind influenţa parametrilor de lucru

asupra constantei de anizotropie magnetică şi a direcţiei axei de uşoară

magnetizare a filmelor de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip175

Capitolul 5 Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

51 Cercetări privind magnetorezistenţa probelor nanocompozit Co-TiO2helliphelliphelliphellip177

511 Modul de lucru pentru determinarea magnetorezistenţeihelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

512 Efectul de magnetorezistenţă pentru probele depuse pe substrat de Cu din

soluţii electrolitice cu concentraţia de TiO2 diferită (seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphellip179

513 Cercetări privind efectul de magnetorezistenţă pentru probele din seriile C şi

D depuse la valori diferite ale tensiunii de electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip182

514 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra rezistenţei şi

magnetorezistenţei (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip185

515 Studiul R(H) şi MR(H) a filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 obţinute

prin electrodepunere la diferite viteze de agitare a soluţiei electroliticehelliphelliphellip186

516 Studiul proprietăţilor de transport pentru filmele nanocompozit pe bază de

Co-TiO2 obţinute prin electrodepunere icircn regim galvanostatic helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip187

517 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

funcţionale ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip189

52 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale morfologice

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphellip190

521 Prezentarea probelor şi a modului de realizare a tratamentului termic hellip192

522 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse icircn regim galvanostatichelliphelliphelliphelliphellip193

523 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei şi caracteristicilor

morfologice ale filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip197

524 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip200

525 Influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip203

526 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin

metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip208

527 Cercetări privind influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor de

transport ale straturilor nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip215

528 Concluzii privind influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor

structurale morfologice magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip218

53 Cercetări preliminare privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de Co şi de Co-TiO2219

531 Prezentarea fenomenelor de magnetizare fotoindusă şi de magnetizare prin

fototunelare 220

532 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra morfologiei şi

compoziţiei straturilor nanocompozit de Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip222

533 Influenţa radiaţiei UV asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip222

534 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip224

535 Influenţa radiaţiei UV asupra rezistentei electrice a filmelor subţiri de Co şi

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip227

536 Concluzii privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri de Co şi straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2236

54 Caracterizarea şi comportamentul fotocatalitic al straturilor de Co-TiO2 sub

influenţa radiaţiei UVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

541 Prezentarea rezultatelor experimentale din literatura de specialitate privind

proprietăţile fotocatalitice ale TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

542 Cercetări experimentale privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul

straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip240

543 Concluzii privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip244

Concluziihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip245

Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip248

Anexehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 1 Lista lucrărilor ştiinţifice publicate şi a comunicărilor stiinţifice realizate icircn

cadrul tezei de doctorathelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 2 Lucrări publicate

Introducere

Icircn urma descoperirii feromagnetismului la temperatura camerei icircn

semiconductorii de dioxid de titan dopaţi cu Co o mare atenţie a fost

concentrată pe studiul filmelor de TiO2 dopat cu Co datorită potenţialelor

aplicaţii icircn spintronică Am ales să studiem acest material compozit datorită

proprietăților semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn fotocataliză şi

fotoelectrocataliză cacirct şi proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului dar mai

ales datorită faptului că aceste caracteristici nu au mai fost studiate pentru

straturile nanocompozit de Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice Astfel au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru mai multe serii de probe la care au fost

modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din soluţia electrolitică

cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă grosimea stratului depus d

viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi densitatea de curent aplicată icircn

timpul electrodepunerii J Icircn fiecare caz ceilalţi parametri de lucru au fost

menţinuţi la valoare constantă

Pentru studiul caracteristicilor magnetice s-au trasat ciclurile de

histerezis şi curbele de torsiune din care au fost determinate următoarele

mărimi caracteristice magnetizaţia de saturaţie Ms magnetizaţia remanentă

Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi factor de rectangularitate a

ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK constanta efectivă de

anizotropie Kef Tipul de anizotropie a filmelor de Co şi Co-TiO2 a fost

determinat din curbele de torsiune Icircn vederea găsirii unor posibilităţi pentru

aplicaţii tehnologice au fost studiate proprietăţile de transport ale filmelor din

care au fost determinate rezistenţa R şi magnetorezistenţa MR a probelor

Icircn capitolul 1 intitulat Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul

materialelor magnetice nanocompozit sunt prezentate cacircteva noţiuni cu

privire la caracteristicile materialelor nanocompozit şi o parte dintre rezultatele

experimentale obţinute de către alţi autori icircn domeniul materialelor

nanocompozit pe baza de TiO2 Astfel prin nanocompozit se icircnțelege un

material solid multifazic conținacircnd două sau mai multe faze icircn care una din

faze are una două sau trei dimensiuni de ordinul nanometrilor adică este de

mărime mai mică decacirct 100 nanometri (nm) [1] Materialele nanocompozit pot

fi clasificate icircn trei categorii diferite icircn funcţie de natura materialelor matrice

și anume a) nanocompozite cu matrice ceramică b) nanocompozite cu matrice

metalică și c) nanocompozite cu matrice polimerică [2]

De la descoperirea lor de către Matsumoto şi colaboratorii [3] filmele

subţiri de Co-TiO2 icircn matrice semiconductoare de TiO2 au atras atenţia multor

cercetători datorită valorii icircnalte a temperaturii Curie (Tc) şi a existenţei

fenomenului de feromagnetism indus Icircn literatura de specialitate sunt

prezentate rezultate experimentale privind caracteristicile structurale

morfologice magnetice şi optice ale filmelor nanocompozit de Co-TiO2 icircn

care dopantul Co este inclus icircn materialul semiconductor TiO2 [3 4]

Conform literaturii de specialitate din ultimii ani au fost publicate

lucrări privind co-depunerea electrolitică de TiO2 cu componenta metalică Ni

Cu Ag şi Zn [5 6] Caracteristicile nanocompozitelor sunt influenţate de

parametrii de depunere şi anume de tipul curentului de depunere compoziţia

soluției electrolitice pH-ul băii concentraţia de particule şi temperatura

Straturile compozit electrodepuse produc icircmbunătățirea unor proprietăţi ale

materialelor pe care se depun cum ar fi microduritatea rezistenţa la uzură

avacircnd și o rezistenţă la coroziune remarcabilă [7 8] Aceste proprietăţi

icircmbunătățite depind icircn principal de natura particulelor co-depuse precum şi de

distribuţia particulelor icircn matricea metalică (de morfologia probelor)

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice

Am ales să studiem acest material compozit datorită proprietăților

semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn focataliză şi fotoelectrocataliză şi

proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului şi datorită faptului că aceste

caracteristici nu au mai fost studiate pentru straturile nanocompozit de Co-

TiO2 icircn matrice metalică de Co Proprietăţile structurale şi morfologice

precum şi rezistenţa la coroziune a filmelor nanocompozit Co-TiO2 icircn matrice

metalică de Co au fost studiate de către S Sanjabi şi A Shirani [9]

Icircn capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea

electrochimică a straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2

sunt prezentate noţiunile de bază cu privire la mecanismul de preparare

electrolitică şi rezultatele experimentale obţinute din studiile de voltametrie

ciclică şi cronoamperometrie privind tipul de nucleaţie şi creştere a filmelor

de Co şi Co-TiO2

Straturile subţiri nanocompozit Co-TiO2 studiate icircn cadrul tezei au fost

preparate prin metoda electrolitică pe substrat de cupru folosind o soluție de

depunere pe bază de sulfat de cobalt cu conţinut de nanoparticule de TiO2

dispersate icircn condiții de agitare a soluției electrolitice Electrodepunerea şi

experimentele necesare caracterizării probelor magnetice de Co şi a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 au fost realizate la temperatura camerei

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 3: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

Doresc să icircmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof univ dr

Violeta Georgescu conducătorul știinţific al tezei pentru atenţia deosebită cu care m-

a icircndrumat pentru icircncrederea acordată pe parcursul stagiului de doctorat precum şi

pentru sprijinul permanent acordat la elaborarea şi finalizarea tezei de doctorat

Mulţumesc membrilor comisiei de icircndrumare și icircn mod deosebit domnului

prof univ dr Ovidiu Florin Călțun pentru sfaturile primite pe parcursul redactării

tezei și pentru acceptul de a analiza această teză de doctorat

De asemenea aduc mulţumiri domnului asist dr Valentin Nica pentru

sprijinul acordat pentru măsurătorile de difracție de radiație X (XRD) și domnului

cerc dr Marius Dobromir pentru măsurătorile de spectroscopie de fotoelectroni

(XPS) experimentele fiind efectuate icircn laboratoarele Facultății de Fizică

Doresc să mulţumesc icircn mod deosebit domnului prof univ dr Ion Sandu de

la Universitatea Alexandru Ioan Cuza din Iaşi şi domnului Andrei Victor Sandu de la

Facultatea de Inginerie şi Ştiinţa Materialelor (Universitatea Tehnică rdquoGheorghe

Asachirdquo) pentru sprijinul acordat icircn realizarea măsurătorilor de microscopie

electronică cu baleiaj (SEM)

Nu in ultimul racircnd mulţumesc familiei pentru icircnţelegerea şi susţinerea

acordate pe toată perioada pregătirii tezei de doctorat

Această teză de doctorat a fost realizată cu sprijinul financiar

obţinut din ldquoProiectul POSDRU8815S47646 cofinanţat din Fondul

Social European prin Programul Operaţional Sectorial pentru Dezvoltarea

Resurselor Umane 2007 ndash 2013rdquo

Cuprins

Introducerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

Capitolul 1 Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul materialelor magnetice

nanocompozithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

11 Noţiuni generale privind materialele magnetice nanocompozithelliphelliphelliphelliphelliphellip10

12 Stadiul actual al cercetărilor privind materialele magnetice nanocompozit pe baza

de TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

Capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea electrochimică a

straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

21 Noțiuni de bază privind metoda electrolitică de preparare a materialelor

nanocompozithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

211 Electrodepunerea metalelorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

212 Stratul dublu electrochimic Modele ale stratului dublu electrochimichelliphellip27

213 Investigarea depunerii straturilor subţiri de cobalthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

214 Mecanisme şi modele de codepunere electrolitică a materialelor de tip

microcompozit şi nanocompozit 32

22 Cercetări experimentale privind prepararea unor straturi subțiri nanocompozit din

sistemul CondashTiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

221 Prezentarea instalaţiei şi a condiţiilor de lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

222 Soluţii utilizate icircn vederea preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-

TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

223 Studiul proceselor de electrodepunere a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin

voltametrie ciclicăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

224 Studiul influenţei potenţialului de referinţă al catodului asupra rezistenţei

electrice la interfaţa catod - electrolithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

23 Prepararea seriilor de probe nanocompozit Co-TiO2 şi studiul variaţiei densităţii

de curent icircn timpul depunerii electroliticehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

231 Prepararea seriilor de probe nanocompozit Co-TiO2 şi parametrii de

lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

232 Studiul variaţiei densității curentului icircn timpul depunerii electrolitice icircn cazul

filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin metoda

cronoamperometricăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

24 Concluzii parţialehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

31 Caracterizarea structurală a straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 prin

difractometrie de radiaţie Xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

311 Noţiuni de bază privind caracterizarea straturilor subţiri prin difractometria

de raze X (XRD)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

312 Rezultate experimentale obţinute prin difractometria de radiaţii X privind

structura cristalină a straturilor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria Ahellip68

313 Rezultate experimentale privind structura cristalină a straturilor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse la valori diferite ale tensiunii de

electrodepunere (seria D)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73

314 Caracterizarea straturilor subţiri nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria

F prin difractometria de raze X (XRD)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip75

315 Rezultate experimentale privind structura cristalină a straturilor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria G depuse la valori diferite ale vitezei

de agitare a soluţiei electrolitice helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip77

316 Caracterizarea probelor nanocompozit de Co-TiO2 electrodepuse la diferite

densităţi de curent prin difractometrie de radiaţii X (seria H)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip79

32 Caracterizarea morfologică a straturilor subţiri de Co-TiO2 prin microscopie

electronică (SEM)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip81

321 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică a straturilor

nanocompozit obţinută prin utilizarea spectrometriei dispersive de raze X (EDS sau

EDAX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip81

322 Rezultate experimentale privind morfologia straturilor nanocompozit pe bază

de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip91

33 Aspecte privind caracterizarea straturilor de Co-TiO2 folosind tehnica

spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip104

331 Descrierea metodei de lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip104

332 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică şi caracterizarea

straturilor din seria Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip105

333 Rezultate experimentale privind influenţa tensiunii de electrodepunere

asupra compoziţiei chimice a straturilor din seria Dhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip109

334 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică la suprafaţa stratului

pentru probele cu grosime diferită (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip113

335 Rezultate experimentale privind influenţa densităţii de curent asupra

compoziţiei chimice a straturilor nanocompozit de Co-TiO2 din seria Hhelliphelliphellip116

34 Concluzii privind structura morfologia şi compoziţia straturilor nanocompozit de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip119

Capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

41 Determinarea caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co - TiO2 prin metoda inductometricăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

411 Metoda de inducție utilizată pentru caracterizarea straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

412 Influenta concentraţiei de nanoparticule de TiO2 din soluția electrolitică

asupra caracteristicilor magnetice ale straturilor nanocompozit din seriile A şi

Bhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip124

413 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra caracteristicilor magnetice ale

straturilor subțiri nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi Dhelliphelliphelliphelliphelliphellip133

414 Influenţa grosimii straturilor nanocompozit din seriile E şi F asupra

caracteristicilor magneticehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip140

415 Rezultate privind influenta vitezei agitatorului magnetic asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 (seria

G)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip150

416 Influenţa densităţii de curent asupra caracteristicilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit pe bază de Co-TiO2 (seria H)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip153

417 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip157

42 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit Co-

TiO2 prin metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

421 Studiul caracteristicilor magnetice prin metoda magnetometrului de

torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

422 Experimente privind influenţa concentraţiei de TiO2 din soluţia electrolitică

asupra anizotropiei magnetice a straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2

(seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip161

423 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi D helliphelliphelliphelliphellip164

424 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 (seriile E şi F)helliphelliphelliphelliphelliphellip168

425 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria G electrodepuse cu diferite viteze de agitare a

soluţieihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip172

426 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria H electrodepuse la valori diferite ale densităţii

de curent (J)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip174

427 Discuţia rezultatelor şi concluzii privind influenţa parametrilor de lucru

asupra constantei de anizotropie magnetică şi a direcţiei axei de uşoară

magnetizare a filmelor de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip175

Capitolul 5 Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

51 Cercetări privind magnetorezistenţa probelor nanocompozit Co-TiO2helliphelliphelliphellip177

511 Modul de lucru pentru determinarea magnetorezistenţeihelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

512 Efectul de magnetorezistenţă pentru probele depuse pe substrat de Cu din

soluţii electrolitice cu concentraţia de TiO2 diferită (seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphellip179

513 Cercetări privind efectul de magnetorezistenţă pentru probele din seriile C şi

D depuse la valori diferite ale tensiunii de electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip182

514 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra rezistenţei şi

magnetorezistenţei (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip185

515 Studiul R(H) şi MR(H) a filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 obţinute

prin electrodepunere la diferite viteze de agitare a soluţiei electroliticehelliphelliphellip186

516 Studiul proprietăţilor de transport pentru filmele nanocompozit pe bază de

Co-TiO2 obţinute prin electrodepunere icircn regim galvanostatic helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip187

517 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

funcţionale ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip189

52 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale morfologice

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphellip190

521 Prezentarea probelor şi a modului de realizare a tratamentului termic hellip192

522 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse icircn regim galvanostatichelliphelliphelliphelliphellip193

523 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei şi caracteristicilor

morfologice ale filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip197

524 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip200

525 Influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip203

526 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin

metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip208

527 Cercetări privind influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor de

transport ale straturilor nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip215

528 Concluzii privind influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor

structurale morfologice magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip218

53 Cercetări preliminare privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de Co şi de Co-TiO2219

531 Prezentarea fenomenelor de magnetizare fotoindusă şi de magnetizare prin

fototunelare 220

532 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra morfologiei şi

compoziţiei straturilor nanocompozit de Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip222

533 Influenţa radiaţiei UV asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip222

534 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip224

535 Influenţa radiaţiei UV asupra rezistentei electrice a filmelor subţiri de Co şi

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip227

536 Concluzii privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri de Co şi straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2236

54 Caracterizarea şi comportamentul fotocatalitic al straturilor de Co-TiO2 sub

influenţa radiaţiei UVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

541 Prezentarea rezultatelor experimentale din literatura de specialitate privind

proprietăţile fotocatalitice ale TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

542 Cercetări experimentale privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul

straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip240

543 Concluzii privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip244

Concluziihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip245

Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip248

Anexehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 1 Lista lucrărilor ştiinţifice publicate şi a comunicărilor stiinţifice realizate icircn

cadrul tezei de doctorathelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 2 Lucrări publicate

Introducere

Icircn urma descoperirii feromagnetismului la temperatura camerei icircn

semiconductorii de dioxid de titan dopaţi cu Co o mare atenţie a fost

concentrată pe studiul filmelor de TiO2 dopat cu Co datorită potenţialelor

aplicaţii icircn spintronică Am ales să studiem acest material compozit datorită

proprietăților semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn fotocataliză şi

fotoelectrocataliză cacirct şi proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului dar mai

ales datorită faptului că aceste caracteristici nu au mai fost studiate pentru

straturile nanocompozit de Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice Astfel au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru mai multe serii de probe la care au fost

modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din soluţia electrolitică

cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă grosimea stratului depus d

viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi densitatea de curent aplicată icircn

timpul electrodepunerii J Icircn fiecare caz ceilalţi parametri de lucru au fost

menţinuţi la valoare constantă

Pentru studiul caracteristicilor magnetice s-au trasat ciclurile de

histerezis şi curbele de torsiune din care au fost determinate următoarele

mărimi caracteristice magnetizaţia de saturaţie Ms magnetizaţia remanentă

Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi factor de rectangularitate a

ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK constanta efectivă de

anizotropie Kef Tipul de anizotropie a filmelor de Co şi Co-TiO2 a fost

determinat din curbele de torsiune Icircn vederea găsirii unor posibilităţi pentru

aplicaţii tehnologice au fost studiate proprietăţile de transport ale filmelor din

care au fost determinate rezistenţa R şi magnetorezistenţa MR a probelor

Icircn capitolul 1 intitulat Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul

materialelor magnetice nanocompozit sunt prezentate cacircteva noţiuni cu

privire la caracteristicile materialelor nanocompozit şi o parte dintre rezultatele

experimentale obţinute de către alţi autori icircn domeniul materialelor

nanocompozit pe baza de TiO2 Astfel prin nanocompozit se icircnțelege un

material solid multifazic conținacircnd două sau mai multe faze icircn care una din

faze are una două sau trei dimensiuni de ordinul nanometrilor adică este de

mărime mai mică decacirct 100 nanometri (nm) [1] Materialele nanocompozit pot

fi clasificate icircn trei categorii diferite icircn funcţie de natura materialelor matrice

și anume a) nanocompozite cu matrice ceramică b) nanocompozite cu matrice

metalică și c) nanocompozite cu matrice polimerică [2]

De la descoperirea lor de către Matsumoto şi colaboratorii [3] filmele

subţiri de Co-TiO2 icircn matrice semiconductoare de TiO2 au atras atenţia multor

cercetători datorită valorii icircnalte a temperaturii Curie (Tc) şi a existenţei

fenomenului de feromagnetism indus Icircn literatura de specialitate sunt

prezentate rezultate experimentale privind caracteristicile structurale

morfologice magnetice şi optice ale filmelor nanocompozit de Co-TiO2 icircn

care dopantul Co este inclus icircn materialul semiconductor TiO2 [3 4]

Conform literaturii de specialitate din ultimii ani au fost publicate

lucrări privind co-depunerea electrolitică de TiO2 cu componenta metalică Ni

Cu Ag şi Zn [5 6] Caracteristicile nanocompozitelor sunt influenţate de

parametrii de depunere şi anume de tipul curentului de depunere compoziţia

soluției electrolitice pH-ul băii concentraţia de particule şi temperatura

Straturile compozit electrodepuse produc icircmbunătățirea unor proprietăţi ale

materialelor pe care se depun cum ar fi microduritatea rezistenţa la uzură

avacircnd și o rezistenţă la coroziune remarcabilă [7 8] Aceste proprietăţi

icircmbunătățite depind icircn principal de natura particulelor co-depuse precum şi de

distribuţia particulelor icircn matricea metalică (de morfologia probelor)

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice

Am ales să studiem acest material compozit datorită proprietăților

semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn focataliză şi fotoelectrocataliză şi

proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului şi datorită faptului că aceste

caracteristici nu au mai fost studiate pentru straturile nanocompozit de Co-

TiO2 icircn matrice metalică de Co Proprietăţile structurale şi morfologice

precum şi rezistenţa la coroziune a filmelor nanocompozit Co-TiO2 icircn matrice

metalică de Co au fost studiate de către S Sanjabi şi A Shirani [9]

Icircn capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea

electrochimică a straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2

sunt prezentate noţiunile de bază cu privire la mecanismul de preparare

electrolitică şi rezultatele experimentale obţinute din studiile de voltametrie

ciclică şi cronoamperometrie privind tipul de nucleaţie şi creştere a filmelor

de Co şi Co-TiO2

Straturile subţiri nanocompozit Co-TiO2 studiate icircn cadrul tezei au fost

preparate prin metoda electrolitică pe substrat de cupru folosind o soluție de

depunere pe bază de sulfat de cobalt cu conţinut de nanoparticule de TiO2

dispersate icircn condiții de agitare a soluției electrolitice Electrodepunerea şi

experimentele necesare caracterizării probelor magnetice de Co şi a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 au fost realizate la temperatura camerei

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 4: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

Cuprins

Introducerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip7

Capitolul 1 Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul materialelor magnetice

nanocompozithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

11 Noţiuni generale privind materialele magnetice nanocompozithelliphelliphelliphelliphelliphellip10

12 Stadiul actual al cercetărilor privind materialele magnetice nanocompozit pe baza

de TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip14

Capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea electrochimică a

straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

21 Noțiuni de bază privind metoda electrolitică de preparare a materialelor

nanocompozithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

211 Electrodepunerea metalelorhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip24

212 Stratul dublu electrochimic Modele ale stratului dublu electrochimichelliphellip27

213 Investigarea depunerii straturilor subţiri de cobalthelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

214 Mecanisme şi modele de codepunere electrolitică a materialelor de tip

microcompozit şi nanocompozit 32

22 Cercetări experimentale privind prepararea unor straturi subțiri nanocompozit din

sistemul CondashTiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

221 Prezentarea instalaţiei şi a condiţiilor de lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

222 Soluţii utilizate icircn vederea preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-

TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

223 Studiul proceselor de electrodepunere a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin

voltametrie ciclicăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip39

224 Studiul influenţei potenţialului de referinţă al catodului asupra rezistenţei

electrice la interfaţa catod - electrolithelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

23 Prepararea seriilor de probe nanocompozit Co-TiO2 şi studiul variaţiei densităţii

de curent icircn timpul depunerii electroliticehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

231 Prepararea seriilor de probe nanocompozit Co-TiO2 şi parametrii de

lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip53

232 Studiul variaţiei densității curentului icircn timpul depunerii electrolitice icircn cazul

filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin metoda

cronoamperometricăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

24 Concluzii parţialehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

31 Caracterizarea structurală a straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 prin

difractometrie de radiaţie Xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

311 Noţiuni de bază privind caracterizarea straturilor subţiri prin difractometria

de raze X (XRD)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

312 Rezultate experimentale obţinute prin difractometria de radiaţii X privind

structura cristalină a straturilor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria Ahellip68

313 Rezultate experimentale privind structura cristalină a straturilor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse la valori diferite ale tensiunii de

electrodepunere (seria D)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73

314 Caracterizarea straturilor subţiri nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria

F prin difractometria de raze X (XRD)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip75

315 Rezultate experimentale privind structura cristalină a straturilor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria G depuse la valori diferite ale vitezei

de agitare a soluţiei electrolitice helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip77

316 Caracterizarea probelor nanocompozit de Co-TiO2 electrodepuse la diferite

densităţi de curent prin difractometrie de radiaţii X (seria H)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip79

32 Caracterizarea morfologică a straturilor subţiri de Co-TiO2 prin microscopie

electronică (SEM)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip81

321 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică a straturilor

nanocompozit obţinută prin utilizarea spectrometriei dispersive de raze X (EDS sau

EDAX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip81

322 Rezultate experimentale privind morfologia straturilor nanocompozit pe bază

de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip91

33 Aspecte privind caracterizarea straturilor de Co-TiO2 folosind tehnica

spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip104

331 Descrierea metodei de lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip104

332 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică şi caracterizarea

straturilor din seria Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip105

333 Rezultate experimentale privind influenţa tensiunii de electrodepunere

asupra compoziţiei chimice a straturilor din seria Dhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip109

334 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică la suprafaţa stratului

pentru probele cu grosime diferită (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip113

335 Rezultate experimentale privind influenţa densităţii de curent asupra

compoziţiei chimice a straturilor nanocompozit de Co-TiO2 din seria Hhelliphelliphellip116

34 Concluzii privind structura morfologia şi compoziţia straturilor nanocompozit de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip119

Capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

41 Determinarea caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co - TiO2 prin metoda inductometricăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

411 Metoda de inducție utilizată pentru caracterizarea straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

412 Influenta concentraţiei de nanoparticule de TiO2 din soluția electrolitică

asupra caracteristicilor magnetice ale straturilor nanocompozit din seriile A şi

Bhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip124

413 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra caracteristicilor magnetice ale

straturilor subțiri nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi Dhelliphelliphelliphelliphelliphellip133

414 Influenţa grosimii straturilor nanocompozit din seriile E şi F asupra

caracteristicilor magneticehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip140

415 Rezultate privind influenta vitezei agitatorului magnetic asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 (seria

G)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip150

416 Influenţa densităţii de curent asupra caracteristicilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit pe bază de Co-TiO2 (seria H)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip153

417 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip157

42 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit Co-

TiO2 prin metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

421 Studiul caracteristicilor magnetice prin metoda magnetometrului de

torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

422 Experimente privind influenţa concentraţiei de TiO2 din soluţia electrolitică

asupra anizotropiei magnetice a straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2

(seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip161

423 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi D helliphelliphelliphelliphellip164

424 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 (seriile E şi F)helliphelliphelliphelliphelliphellip168

425 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria G electrodepuse cu diferite viteze de agitare a

soluţieihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip172

426 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria H electrodepuse la valori diferite ale densităţii

de curent (J)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip174

427 Discuţia rezultatelor şi concluzii privind influenţa parametrilor de lucru

asupra constantei de anizotropie magnetică şi a direcţiei axei de uşoară

magnetizare a filmelor de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip175

Capitolul 5 Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

51 Cercetări privind magnetorezistenţa probelor nanocompozit Co-TiO2helliphelliphelliphellip177

511 Modul de lucru pentru determinarea magnetorezistenţeihelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

512 Efectul de magnetorezistenţă pentru probele depuse pe substrat de Cu din

soluţii electrolitice cu concentraţia de TiO2 diferită (seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphellip179

513 Cercetări privind efectul de magnetorezistenţă pentru probele din seriile C şi

D depuse la valori diferite ale tensiunii de electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip182

514 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra rezistenţei şi

magnetorezistenţei (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip185

515 Studiul R(H) şi MR(H) a filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 obţinute

prin electrodepunere la diferite viteze de agitare a soluţiei electroliticehelliphelliphellip186

516 Studiul proprietăţilor de transport pentru filmele nanocompozit pe bază de

Co-TiO2 obţinute prin electrodepunere icircn regim galvanostatic helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip187

517 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

funcţionale ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip189

52 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale morfologice

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphellip190

521 Prezentarea probelor şi a modului de realizare a tratamentului termic hellip192

522 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse icircn regim galvanostatichelliphelliphelliphelliphellip193

523 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei şi caracteristicilor

morfologice ale filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip197

524 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip200

525 Influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip203

526 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin

metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip208

527 Cercetări privind influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor de

transport ale straturilor nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip215

528 Concluzii privind influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor

structurale morfologice magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip218

53 Cercetări preliminare privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de Co şi de Co-TiO2219

531 Prezentarea fenomenelor de magnetizare fotoindusă şi de magnetizare prin

fototunelare 220

532 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra morfologiei şi

compoziţiei straturilor nanocompozit de Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip222

533 Influenţa radiaţiei UV asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip222

534 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip224

535 Influenţa radiaţiei UV asupra rezistentei electrice a filmelor subţiri de Co şi

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip227

536 Concluzii privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri de Co şi straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2236

54 Caracterizarea şi comportamentul fotocatalitic al straturilor de Co-TiO2 sub

influenţa radiaţiei UVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

541 Prezentarea rezultatelor experimentale din literatura de specialitate privind

proprietăţile fotocatalitice ale TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

542 Cercetări experimentale privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul

straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip240

543 Concluzii privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip244

Concluziihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip245

Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip248

Anexehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 1 Lista lucrărilor ştiinţifice publicate şi a comunicărilor stiinţifice realizate icircn

cadrul tezei de doctorathelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 2 Lucrări publicate

Introducere

Icircn urma descoperirii feromagnetismului la temperatura camerei icircn

semiconductorii de dioxid de titan dopaţi cu Co o mare atenţie a fost

concentrată pe studiul filmelor de TiO2 dopat cu Co datorită potenţialelor

aplicaţii icircn spintronică Am ales să studiem acest material compozit datorită

proprietăților semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn fotocataliză şi

fotoelectrocataliză cacirct şi proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului dar mai

ales datorită faptului că aceste caracteristici nu au mai fost studiate pentru

straturile nanocompozit de Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice Astfel au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru mai multe serii de probe la care au fost

modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din soluţia electrolitică

cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă grosimea stratului depus d

viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi densitatea de curent aplicată icircn

timpul electrodepunerii J Icircn fiecare caz ceilalţi parametri de lucru au fost

menţinuţi la valoare constantă

Pentru studiul caracteristicilor magnetice s-au trasat ciclurile de

histerezis şi curbele de torsiune din care au fost determinate următoarele

mărimi caracteristice magnetizaţia de saturaţie Ms magnetizaţia remanentă

Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi factor de rectangularitate a

ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK constanta efectivă de

anizotropie Kef Tipul de anizotropie a filmelor de Co şi Co-TiO2 a fost

determinat din curbele de torsiune Icircn vederea găsirii unor posibilităţi pentru

aplicaţii tehnologice au fost studiate proprietăţile de transport ale filmelor din

care au fost determinate rezistenţa R şi magnetorezistenţa MR a probelor

Icircn capitolul 1 intitulat Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul

materialelor magnetice nanocompozit sunt prezentate cacircteva noţiuni cu

privire la caracteristicile materialelor nanocompozit şi o parte dintre rezultatele

experimentale obţinute de către alţi autori icircn domeniul materialelor

nanocompozit pe baza de TiO2 Astfel prin nanocompozit se icircnțelege un

material solid multifazic conținacircnd două sau mai multe faze icircn care una din

faze are una două sau trei dimensiuni de ordinul nanometrilor adică este de

mărime mai mică decacirct 100 nanometri (nm) [1] Materialele nanocompozit pot

fi clasificate icircn trei categorii diferite icircn funcţie de natura materialelor matrice

și anume a) nanocompozite cu matrice ceramică b) nanocompozite cu matrice

metalică și c) nanocompozite cu matrice polimerică [2]

De la descoperirea lor de către Matsumoto şi colaboratorii [3] filmele

subţiri de Co-TiO2 icircn matrice semiconductoare de TiO2 au atras atenţia multor

cercetători datorită valorii icircnalte a temperaturii Curie (Tc) şi a existenţei

fenomenului de feromagnetism indus Icircn literatura de specialitate sunt

prezentate rezultate experimentale privind caracteristicile structurale

morfologice magnetice şi optice ale filmelor nanocompozit de Co-TiO2 icircn

care dopantul Co este inclus icircn materialul semiconductor TiO2 [3 4]

Conform literaturii de specialitate din ultimii ani au fost publicate

lucrări privind co-depunerea electrolitică de TiO2 cu componenta metalică Ni

Cu Ag şi Zn [5 6] Caracteristicile nanocompozitelor sunt influenţate de

parametrii de depunere şi anume de tipul curentului de depunere compoziţia

soluției electrolitice pH-ul băii concentraţia de particule şi temperatura

Straturile compozit electrodepuse produc icircmbunătățirea unor proprietăţi ale

materialelor pe care se depun cum ar fi microduritatea rezistenţa la uzură

avacircnd și o rezistenţă la coroziune remarcabilă [7 8] Aceste proprietăţi

icircmbunătățite depind icircn principal de natura particulelor co-depuse precum şi de

distribuţia particulelor icircn matricea metalică (de morfologia probelor)

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice

Am ales să studiem acest material compozit datorită proprietăților

semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn focataliză şi fotoelectrocataliză şi

proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului şi datorită faptului că aceste

caracteristici nu au mai fost studiate pentru straturile nanocompozit de Co-

TiO2 icircn matrice metalică de Co Proprietăţile structurale şi morfologice

precum şi rezistenţa la coroziune a filmelor nanocompozit Co-TiO2 icircn matrice

metalică de Co au fost studiate de către S Sanjabi şi A Shirani [9]

Icircn capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea

electrochimică a straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2

sunt prezentate noţiunile de bază cu privire la mecanismul de preparare

electrolitică şi rezultatele experimentale obţinute din studiile de voltametrie

ciclică şi cronoamperometrie privind tipul de nucleaţie şi creştere a filmelor

de Co şi Co-TiO2

Straturile subţiri nanocompozit Co-TiO2 studiate icircn cadrul tezei au fost

preparate prin metoda electrolitică pe substrat de cupru folosind o soluție de

depunere pe bază de sulfat de cobalt cu conţinut de nanoparticule de TiO2

dispersate icircn condiții de agitare a soluției electrolitice Electrodepunerea şi

experimentele necesare caracterizării probelor magnetice de Co şi a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 au fost realizate la temperatura camerei

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 5: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

232 Studiul variaţiei densității curentului icircn timpul depunerii electrolitice icircn cazul

filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin metoda

cronoamperometricăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip56

24 Concluzii parţialehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

31 Caracterizarea structurală a straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 prin

difractometrie de radiaţie Xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

311 Noţiuni de bază privind caracterizarea straturilor subţiri prin difractometria

de raze X (XRD)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

312 Rezultate experimentale obţinute prin difractometria de radiaţii X privind

structura cristalină a straturilor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria Ahellip68

313 Rezultate experimentale privind structura cristalină a straturilor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse la valori diferite ale tensiunii de

electrodepunere (seria D)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip73

314 Caracterizarea straturilor subţiri nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria

F prin difractometria de raze X (XRD)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip75

315 Rezultate experimentale privind structura cristalină a straturilor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 din seria G depuse la valori diferite ale vitezei

de agitare a soluţiei electrolitice helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip77

316 Caracterizarea probelor nanocompozit de Co-TiO2 electrodepuse la diferite

densităţi de curent prin difractometrie de radiaţii X (seria H)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip79

32 Caracterizarea morfologică a straturilor subţiri de Co-TiO2 prin microscopie

electronică (SEM)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip81

321 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică a straturilor

nanocompozit obţinută prin utilizarea spectrometriei dispersive de raze X (EDS sau

EDAX)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip81

322 Rezultate experimentale privind morfologia straturilor nanocompozit pe bază

de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip91

33 Aspecte privind caracterizarea straturilor de Co-TiO2 folosind tehnica

spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip104

331 Descrierea metodei de lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip104

332 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică şi caracterizarea

straturilor din seria Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip105

333 Rezultate experimentale privind influenţa tensiunii de electrodepunere

asupra compoziţiei chimice a straturilor din seria Dhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip109

334 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică la suprafaţa stratului

pentru probele cu grosime diferită (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip113

335 Rezultate experimentale privind influenţa densităţii de curent asupra

compoziţiei chimice a straturilor nanocompozit de Co-TiO2 din seria Hhelliphelliphellip116

34 Concluzii privind structura morfologia şi compoziţia straturilor nanocompozit de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip119

Capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

41 Determinarea caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co - TiO2 prin metoda inductometricăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

411 Metoda de inducție utilizată pentru caracterizarea straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

412 Influenta concentraţiei de nanoparticule de TiO2 din soluția electrolitică

asupra caracteristicilor magnetice ale straturilor nanocompozit din seriile A şi

Bhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip124

413 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra caracteristicilor magnetice ale

straturilor subțiri nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi Dhelliphelliphelliphelliphelliphellip133

414 Influenţa grosimii straturilor nanocompozit din seriile E şi F asupra

caracteristicilor magneticehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip140

415 Rezultate privind influenta vitezei agitatorului magnetic asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 (seria

G)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip150

416 Influenţa densităţii de curent asupra caracteristicilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit pe bază de Co-TiO2 (seria H)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip153

417 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip157

42 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit Co-

TiO2 prin metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

421 Studiul caracteristicilor magnetice prin metoda magnetometrului de

torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

422 Experimente privind influenţa concentraţiei de TiO2 din soluţia electrolitică

asupra anizotropiei magnetice a straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2

(seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip161

423 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi D helliphelliphelliphelliphellip164

424 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 (seriile E şi F)helliphelliphelliphelliphelliphellip168

425 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria G electrodepuse cu diferite viteze de agitare a

soluţieihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip172

426 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria H electrodepuse la valori diferite ale densităţii

de curent (J)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip174

427 Discuţia rezultatelor şi concluzii privind influenţa parametrilor de lucru

asupra constantei de anizotropie magnetică şi a direcţiei axei de uşoară

magnetizare a filmelor de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip175

Capitolul 5 Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

51 Cercetări privind magnetorezistenţa probelor nanocompozit Co-TiO2helliphelliphelliphellip177

511 Modul de lucru pentru determinarea magnetorezistenţeihelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

512 Efectul de magnetorezistenţă pentru probele depuse pe substrat de Cu din

soluţii electrolitice cu concentraţia de TiO2 diferită (seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphellip179

513 Cercetări privind efectul de magnetorezistenţă pentru probele din seriile C şi

D depuse la valori diferite ale tensiunii de electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip182

514 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra rezistenţei şi

magnetorezistenţei (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip185

515 Studiul R(H) şi MR(H) a filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 obţinute

prin electrodepunere la diferite viteze de agitare a soluţiei electroliticehelliphelliphellip186

516 Studiul proprietăţilor de transport pentru filmele nanocompozit pe bază de

Co-TiO2 obţinute prin electrodepunere icircn regim galvanostatic helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip187

517 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

funcţionale ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip189

52 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale morfologice

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphellip190

521 Prezentarea probelor şi a modului de realizare a tratamentului termic hellip192

522 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse icircn regim galvanostatichelliphelliphelliphelliphellip193

523 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei şi caracteristicilor

morfologice ale filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip197

524 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip200

525 Influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip203

526 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin

metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip208

527 Cercetări privind influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor de

transport ale straturilor nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip215

528 Concluzii privind influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor

structurale morfologice magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip218

53 Cercetări preliminare privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de Co şi de Co-TiO2219

531 Prezentarea fenomenelor de magnetizare fotoindusă şi de magnetizare prin

fototunelare 220

532 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra morfologiei şi

compoziţiei straturilor nanocompozit de Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip222

533 Influenţa radiaţiei UV asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip222

534 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip224

535 Influenţa radiaţiei UV asupra rezistentei electrice a filmelor subţiri de Co şi

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip227

536 Concluzii privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri de Co şi straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2236

54 Caracterizarea şi comportamentul fotocatalitic al straturilor de Co-TiO2 sub

influenţa radiaţiei UVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

541 Prezentarea rezultatelor experimentale din literatura de specialitate privind

proprietăţile fotocatalitice ale TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

542 Cercetări experimentale privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul

straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip240

543 Concluzii privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip244

Concluziihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip245

Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip248

Anexehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 1 Lista lucrărilor ştiinţifice publicate şi a comunicărilor stiinţifice realizate icircn

cadrul tezei de doctorathelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 2 Lucrări publicate

Introducere

Icircn urma descoperirii feromagnetismului la temperatura camerei icircn

semiconductorii de dioxid de titan dopaţi cu Co o mare atenţie a fost

concentrată pe studiul filmelor de TiO2 dopat cu Co datorită potenţialelor

aplicaţii icircn spintronică Am ales să studiem acest material compozit datorită

proprietăților semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn fotocataliză şi

fotoelectrocataliză cacirct şi proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului dar mai

ales datorită faptului că aceste caracteristici nu au mai fost studiate pentru

straturile nanocompozit de Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice Astfel au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru mai multe serii de probe la care au fost

modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din soluţia electrolitică

cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă grosimea stratului depus d

viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi densitatea de curent aplicată icircn

timpul electrodepunerii J Icircn fiecare caz ceilalţi parametri de lucru au fost

menţinuţi la valoare constantă

Pentru studiul caracteristicilor magnetice s-au trasat ciclurile de

histerezis şi curbele de torsiune din care au fost determinate următoarele

mărimi caracteristice magnetizaţia de saturaţie Ms magnetizaţia remanentă

Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi factor de rectangularitate a

ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK constanta efectivă de

anizotropie Kef Tipul de anizotropie a filmelor de Co şi Co-TiO2 a fost

determinat din curbele de torsiune Icircn vederea găsirii unor posibilităţi pentru

aplicaţii tehnologice au fost studiate proprietăţile de transport ale filmelor din

care au fost determinate rezistenţa R şi magnetorezistenţa MR a probelor

Icircn capitolul 1 intitulat Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul

materialelor magnetice nanocompozit sunt prezentate cacircteva noţiuni cu

privire la caracteristicile materialelor nanocompozit şi o parte dintre rezultatele

experimentale obţinute de către alţi autori icircn domeniul materialelor

nanocompozit pe baza de TiO2 Astfel prin nanocompozit se icircnțelege un

material solid multifazic conținacircnd două sau mai multe faze icircn care una din

faze are una două sau trei dimensiuni de ordinul nanometrilor adică este de

mărime mai mică decacirct 100 nanometri (nm) [1] Materialele nanocompozit pot

fi clasificate icircn trei categorii diferite icircn funcţie de natura materialelor matrice

și anume a) nanocompozite cu matrice ceramică b) nanocompozite cu matrice

metalică și c) nanocompozite cu matrice polimerică [2]

De la descoperirea lor de către Matsumoto şi colaboratorii [3] filmele

subţiri de Co-TiO2 icircn matrice semiconductoare de TiO2 au atras atenţia multor

cercetători datorită valorii icircnalte a temperaturii Curie (Tc) şi a existenţei

fenomenului de feromagnetism indus Icircn literatura de specialitate sunt

prezentate rezultate experimentale privind caracteristicile structurale

morfologice magnetice şi optice ale filmelor nanocompozit de Co-TiO2 icircn

care dopantul Co este inclus icircn materialul semiconductor TiO2 [3 4]

Conform literaturii de specialitate din ultimii ani au fost publicate

lucrări privind co-depunerea electrolitică de TiO2 cu componenta metalică Ni

Cu Ag şi Zn [5 6] Caracteristicile nanocompozitelor sunt influenţate de

parametrii de depunere şi anume de tipul curentului de depunere compoziţia

soluției electrolitice pH-ul băii concentraţia de particule şi temperatura

Straturile compozit electrodepuse produc icircmbunătățirea unor proprietăţi ale

materialelor pe care se depun cum ar fi microduritatea rezistenţa la uzură

avacircnd și o rezistenţă la coroziune remarcabilă [7 8] Aceste proprietăţi

icircmbunătățite depind icircn principal de natura particulelor co-depuse precum şi de

distribuţia particulelor icircn matricea metalică (de morfologia probelor)

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice

Am ales să studiem acest material compozit datorită proprietăților

semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn focataliză şi fotoelectrocataliză şi

proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului şi datorită faptului că aceste

caracteristici nu au mai fost studiate pentru straturile nanocompozit de Co-

TiO2 icircn matrice metalică de Co Proprietăţile structurale şi morfologice

precum şi rezistenţa la coroziune a filmelor nanocompozit Co-TiO2 icircn matrice

metalică de Co au fost studiate de către S Sanjabi şi A Shirani [9]

Icircn capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea

electrochimică a straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2

sunt prezentate noţiunile de bază cu privire la mecanismul de preparare

electrolitică şi rezultatele experimentale obţinute din studiile de voltametrie

ciclică şi cronoamperometrie privind tipul de nucleaţie şi creştere a filmelor

de Co şi Co-TiO2

Straturile subţiri nanocompozit Co-TiO2 studiate icircn cadrul tezei au fost

preparate prin metoda electrolitică pe substrat de cupru folosind o soluție de

depunere pe bază de sulfat de cobalt cu conţinut de nanoparticule de TiO2

dispersate icircn condiții de agitare a soluției electrolitice Electrodepunerea şi

experimentele necesare caracterizării probelor magnetice de Co şi a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 au fost realizate la temperatura camerei

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 6: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

331 Descrierea metodei de lucruhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip104

332 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică şi caracterizarea

straturilor din seria Ahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip105

333 Rezultate experimentale privind influenţa tensiunii de electrodepunere

asupra compoziţiei chimice a straturilor din seria Dhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip109

334 Rezultate experimentale privind compoziţia chimică la suprafaţa stratului

pentru probele cu grosime diferită (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip113

335 Rezultate experimentale privind influenţa densităţii de curent asupra

compoziţiei chimice a straturilor nanocompozit de Co-TiO2 din seria Hhelliphelliphellip116

34 Concluzii privind structura morfologia şi compoziţia straturilor nanocompozit de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip119

Capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

41 Determinarea caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co - TiO2 prin metoda inductometricăhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

411 Metoda de inducție utilizată pentru caracterizarea straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip121

412 Influenta concentraţiei de nanoparticule de TiO2 din soluția electrolitică

asupra caracteristicilor magnetice ale straturilor nanocompozit din seriile A şi

Bhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip124

413 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra caracteristicilor magnetice ale

straturilor subțiri nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi Dhelliphelliphelliphelliphelliphellip133

414 Influenţa grosimii straturilor nanocompozit din seriile E şi F asupra

caracteristicilor magneticehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip140

415 Rezultate privind influenta vitezei agitatorului magnetic asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 (seria

G)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip150

416 Influenţa densităţii de curent asupra caracteristicilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit pe bază de Co-TiO2 (seria H)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip153

417 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip157

42 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit Co-

TiO2 prin metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

421 Studiul caracteristicilor magnetice prin metoda magnetometrului de

torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

422 Experimente privind influenţa concentraţiei de TiO2 din soluţia electrolitică

asupra anizotropiei magnetice a straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2

(seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip161

423 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi D helliphelliphelliphelliphellip164

424 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 (seriile E şi F)helliphelliphelliphelliphelliphellip168

425 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria G electrodepuse cu diferite viteze de agitare a

soluţieihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip172

426 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria H electrodepuse la valori diferite ale densităţii

de curent (J)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip174

427 Discuţia rezultatelor şi concluzii privind influenţa parametrilor de lucru

asupra constantei de anizotropie magnetică şi a direcţiei axei de uşoară

magnetizare a filmelor de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip175

Capitolul 5 Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

51 Cercetări privind magnetorezistenţa probelor nanocompozit Co-TiO2helliphelliphelliphellip177

511 Modul de lucru pentru determinarea magnetorezistenţeihelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

512 Efectul de magnetorezistenţă pentru probele depuse pe substrat de Cu din

soluţii electrolitice cu concentraţia de TiO2 diferită (seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphellip179

513 Cercetări privind efectul de magnetorezistenţă pentru probele din seriile C şi

D depuse la valori diferite ale tensiunii de electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip182

514 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra rezistenţei şi

magnetorezistenţei (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip185

515 Studiul R(H) şi MR(H) a filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 obţinute

prin electrodepunere la diferite viteze de agitare a soluţiei electroliticehelliphelliphellip186

516 Studiul proprietăţilor de transport pentru filmele nanocompozit pe bază de

Co-TiO2 obţinute prin electrodepunere icircn regim galvanostatic helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip187

517 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

funcţionale ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip189

52 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale morfologice

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphellip190

521 Prezentarea probelor şi a modului de realizare a tratamentului termic hellip192

522 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse icircn regim galvanostatichelliphelliphelliphelliphellip193

523 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei şi caracteristicilor

morfologice ale filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip197

524 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip200

525 Influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip203

526 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin

metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip208

527 Cercetări privind influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor de

transport ale straturilor nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip215

528 Concluzii privind influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor

structurale morfologice magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip218

53 Cercetări preliminare privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de Co şi de Co-TiO2219

531 Prezentarea fenomenelor de magnetizare fotoindusă şi de magnetizare prin

fototunelare 220

532 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra morfologiei şi

compoziţiei straturilor nanocompozit de Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip222

533 Influenţa radiaţiei UV asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip222

534 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip224

535 Influenţa radiaţiei UV asupra rezistentei electrice a filmelor subţiri de Co şi

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip227

536 Concluzii privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri de Co şi straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2236

54 Caracterizarea şi comportamentul fotocatalitic al straturilor de Co-TiO2 sub

influenţa radiaţiei UVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

541 Prezentarea rezultatelor experimentale din literatura de specialitate privind

proprietăţile fotocatalitice ale TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

542 Cercetări experimentale privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul

straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip240

543 Concluzii privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip244

Concluziihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip245

Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip248

Anexehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 1 Lista lucrărilor ştiinţifice publicate şi a comunicărilor stiinţifice realizate icircn

cadrul tezei de doctorathelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 2 Lucrări publicate

Introducere

Icircn urma descoperirii feromagnetismului la temperatura camerei icircn

semiconductorii de dioxid de titan dopaţi cu Co o mare atenţie a fost

concentrată pe studiul filmelor de TiO2 dopat cu Co datorită potenţialelor

aplicaţii icircn spintronică Am ales să studiem acest material compozit datorită

proprietăților semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn fotocataliză şi

fotoelectrocataliză cacirct şi proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului dar mai

ales datorită faptului că aceste caracteristici nu au mai fost studiate pentru

straturile nanocompozit de Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice Astfel au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru mai multe serii de probe la care au fost

modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din soluţia electrolitică

cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă grosimea stratului depus d

viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi densitatea de curent aplicată icircn

timpul electrodepunerii J Icircn fiecare caz ceilalţi parametri de lucru au fost

menţinuţi la valoare constantă

Pentru studiul caracteristicilor magnetice s-au trasat ciclurile de

histerezis şi curbele de torsiune din care au fost determinate următoarele

mărimi caracteristice magnetizaţia de saturaţie Ms magnetizaţia remanentă

Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi factor de rectangularitate a

ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK constanta efectivă de

anizotropie Kef Tipul de anizotropie a filmelor de Co şi Co-TiO2 a fost

determinat din curbele de torsiune Icircn vederea găsirii unor posibilităţi pentru

aplicaţii tehnologice au fost studiate proprietăţile de transport ale filmelor din

care au fost determinate rezistenţa R şi magnetorezistenţa MR a probelor

Icircn capitolul 1 intitulat Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul

materialelor magnetice nanocompozit sunt prezentate cacircteva noţiuni cu

privire la caracteristicile materialelor nanocompozit şi o parte dintre rezultatele

experimentale obţinute de către alţi autori icircn domeniul materialelor

nanocompozit pe baza de TiO2 Astfel prin nanocompozit se icircnțelege un

material solid multifazic conținacircnd două sau mai multe faze icircn care una din

faze are una două sau trei dimensiuni de ordinul nanometrilor adică este de

mărime mai mică decacirct 100 nanometri (nm) [1] Materialele nanocompozit pot

fi clasificate icircn trei categorii diferite icircn funcţie de natura materialelor matrice

și anume a) nanocompozite cu matrice ceramică b) nanocompozite cu matrice

metalică și c) nanocompozite cu matrice polimerică [2]

De la descoperirea lor de către Matsumoto şi colaboratorii [3] filmele

subţiri de Co-TiO2 icircn matrice semiconductoare de TiO2 au atras atenţia multor

cercetători datorită valorii icircnalte a temperaturii Curie (Tc) şi a existenţei

fenomenului de feromagnetism indus Icircn literatura de specialitate sunt

prezentate rezultate experimentale privind caracteristicile structurale

morfologice magnetice şi optice ale filmelor nanocompozit de Co-TiO2 icircn

care dopantul Co este inclus icircn materialul semiconductor TiO2 [3 4]

Conform literaturii de specialitate din ultimii ani au fost publicate

lucrări privind co-depunerea electrolitică de TiO2 cu componenta metalică Ni

Cu Ag şi Zn [5 6] Caracteristicile nanocompozitelor sunt influenţate de

parametrii de depunere şi anume de tipul curentului de depunere compoziţia

soluției electrolitice pH-ul băii concentraţia de particule şi temperatura

Straturile compozit electrodepuse produc icircmbunătățirea unor proprietăţi ale

materialelor pe care se depun cum ar fi microduritatea rezistenţa la uzură

avacircnd și o rezistenţă la coroziune remarcabilă [7 8] Aceste proprietăţi

icircmbunătățite depind icircn principal de natura particulelor co-depuse precum şi de

distribuţia particulelor icircn matricea metalică (de morfologia probelor)

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice

Am ales să studiem acest material compozit datorită proprietăților

semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn focataliză şi fotoelectrocataliză şi

proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului şi datorită faptului că aceste

caracteristici nu au mai fost studiate pentru straturile nanocompozit de Co-

TiO2 icircn matrice metalică de Co Proprietăţile structurale şi morfologice

precum şi rezistenţa la coroziune a filmelor nanocompozit Co-TiO2 icircn matrice

metalică de Co au fost studiate de către S Sanjabi şi A Shirani [9]

Icircn capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea

electrochimică a straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2

sunt prezentate noţiunile de bază cu privire la mecanismul de preparare

electrolitică şi rezultatele experimentale obţinute din studiile de voltametrie

ciclică şi cronoamperometrie privind tipul de nucleaţie şi creştere a filmelor

de Co şi Co-TiO2

Straturile subţiri nanocompozit Co-TiO2 studiate icircn cadrul tezei au fost

preparate prin metoda electrolitică pe substrat de cupru folosind o soluție de

depunere pe bază de sulfat de cobalt cu conţinut de nanoparticule de TiO2

dispersate icircn condiții de agitare a soluției electrolitice Electrodepunerea şi

experimentele necesare caracterizării probelor magnetice de Co şi a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 au fost realizate la temperatura camerei

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 7: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

417 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip157

42 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit Co-

TiO2 prin metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

421 Studiul caracteristicilor magnetice prin metoda magnetometrului de

torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip158

422 Experimente privind influenţa concentraţiei de TiO2 din soluţia electrolitică

asupra anizotropiei magnetice a straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2

(seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip161

423 Influenţa tensiunii de electrodepunere asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 din seriile C şi D helliphelliphelliphelliphellip164

424 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra anizotropiei magnetice a

straturilor magnetice nanocompozit de Co-TiO2 (seriile E şi F)helliphelliphelliphelliphelliphellip168

425 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria G electrodepuse cu diferite viteze de agitare a

soluţieihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip172

426 Caracterizarea cu ajutorul magnetometrului de torsiune a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 din seria H electrodepuse la valori diferite ale densităţii

de curent (J)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip174

427 Discuţia rezultatelor şi concluzii privind influenţa parametrilor de lucru

asupra constantei de anizotropie magnetică şi a direcţiei axei de uşoară

magnetizare a filmelor de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip175

Capitolul 5 Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

51 Cercetări privind magnetorezistenţa probelor nanocompozit Co-TiO2helliphelliphelliphellip177

511 Modul de lucru pentru determinarea magnetorezistenţeihelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip177

512 Efectul de magnetorezistenţă pentru probele depuse pe substrat de Cu din

soluţii electrolitice cu concentraţia de TiO2 diferită (seriile A şi B)helliphelliphelliphelliphellip179

513 Cercetări privind efectul de magnetorezistenţă pentru probele din seriile C şi

D depuse la valori diferite ale tensiunii de electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip182

514 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra rezistenţei şi

magnetorezistenţei (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip185

515 Studiul R(H) şi MR(H) a filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 obţinute

prin electrodepunere la diferite viteze de agitare a soluţiei electroliticehelliphelliphellip186

516 Studiul proprietăţilor de transport pentru filmele nanocompozit pe bază de

Co-TiO2 obţinute prin electrodepunere icircn regim galvanostatic helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip187

517 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

funcţionale ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip189

52 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale morfologice

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphellip190

521 Prezentarea probelor şi a modului de realizare a tratamentului termic hellip192

522 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse icircn regim galvanostatichelliphelliphelliphelliphellip193

523 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei şi caracteristicilor

morfologice ale filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip197

524 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip200

525 Influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip203

526 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin

metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip208

527 Cercetări privind influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor de

transport ale straturilor nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip215

528 Concluzii privind influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor

structurale morfologice magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip218

53 Cercetări preliminare privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de Co şi de Co-TiO2219

531 Prezentarea fenomenelor de magnetizare fotoindusă şi de magnetizare prin

fototunelare 220

532 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra morfologiei şi

compoziţiei straturilor nanocompozit de Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip222

533 Influenţa radiaţiei UV asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip222

534 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip224

535 Influenţa radiaţiei UV asupra rezistentei electrice a filmelor subţiri de Co şi

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip227

536 Concluzii privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri de Co şi straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2236

54 Caracterizarea şi comportamentul fotocatalitic al straturilor de Co-TiO2 sub

influenţa radiaţiei UVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

541 Prezentarea rezultatelor experimentale din literatura de specialitate privind

proprietăţile fotocatalitice ale TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

542 Cercetări experimentale privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul

straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip240

543 Concluzii privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip244

Concluziihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip245

Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip248

Anexehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 1 Lista lucrărilor ştiinţifice publicate şi a comunicărilor stiinţifice realizate icircn

cadrul tezei de doctorathelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 2 Lucrări publicate

Introducere

Icircn urma descoperirii feromagnetismului la temperatura camerei icircn

semiconductorii de dioxid de titan dopaţi cu Co o mare atenţie a fost

concentrată pe studiul filmelor de TiO2 dopat cu Co datorită potenţialelor

aplicaţii icircn spintronică Am ales să studiem acest material compozit datorită

proprietăților semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn fotocataliză şi

fotoelectrocataliză cacirct şi proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului dar mai

ales datorită faptului că aceste caracteristici nu au mai fost studiate pentru

straturile nanocompozit de Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice Astfel au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru mai multe serii de probe la care au fost

modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din soluţia electrolitică

cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă grosimea stratului depus d

viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi densitatea de curent aplicată icircn

timpul electrodepunerii J Icircn fiecare caz ceilalţi parametri de lucru au fost

menţinuţi la valoare constantă

Pentru studiul caracteristicilor magnetice s-au trasat ciclurile de

histerezis şi curbele de torsiune din care au fost determinate următoarele

mărimi caracteristice magnetizaţia de saturaţie Ms magnetizaţia remanentă

Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi factor de rectangularitate a

ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK constanta efectivă de

anizotropie Kef Tipul de anizotropie a filmelor de Co şi Co-TiO2 a fost

determinat din curbele de torsiune Icircn vederea găsirii unor posibilităţi pentru

aplicaţii tehnologice au fost studiate proprietăţile de transport ale filmelor din

care au fost determinate rezistenţa R şi magnetorezistenţa MR a probelor

Icircn capitolul 1 intitulat Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul

materialelor magnetice nanocompozit sunt prezentate cacircteva noţiuni cu

privire la caracteristicile materialelor nanocompozit şi o parte dintre rezultatele

experimentale obţinute de către alţi autori icircn domeniul materialelor

nanocompozit pe baza de TiO2 Astfel prin nanocompozit se icircnțelege un

material solid multifazic conținacircnd două sau mai multe faze icircn care una din

faze are una două sau trei dimensiuni de ordinul nanometrilor adică este de

mărime mai mică decacirct 100 nanometri (nm) [1] Materialele nanocompozit pot

fi clasificate icircn trei categorii diferite icircn funcţie de natura materialelor matrice

și anume a) nanocompozite cu matrice ceramică b) nanocompozite cu matrice

metalică și c) nanocompozite cu matrice polimerică [2]

De la descoperirea lor de către Matsumoto şi colaboratorii [3] filmele

subţiri de Co-TiO2 icircn matrice semiconductoare de TiO2 au atras atenţia multor

cercetători datorită valorii icircnalte a temperaturii Curie (Tc) şi a existenţei

fenomenului de feromagnetism indus Icircn literatura de specialitate sunt

prezentate rezultate experimentale privind caracteristicile structurale

morfologice magnetice şi optice ale filmelor nanocompozit de Co-TiO2 icircn

care dopantul Co este inclus icircn materialul semiconductor TiO2 [3 4]

Conform literaturii de specialitate din ultimii ani au fost publicate

lucrări privind co-depunerea electrolitică de TiO2 cu componenta metalică Ni

Cu Ag şi Zn [5 6] Caracteristicile nanocompozitelor sunt influenţate de

parametrii de depunere şi anume de tipul curentului de depunere compoziţia

soluției electrolitice pH-ul băii concentraţia de particule şi temperatura

Straturile compozit electrodepuse produc icircmbunătățirea unor proprietăţi ale

materialelor pe care se depun cum ar fi microduritatea rezistenţa la uzură

avacircnd și o rezistenţă la coroziune remarcabilă [7 8] Aceste proprietăţi

icircmbunătățite depind icircn principal de natura particulelor co-depuse precum şi de

distribuţia particulelor icircn matricea metalică (de morfologia probelor)

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice

Am ales să studiem acest material compozit datorită proprietăților

semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn focataliză şi fotoelectrocataliză şi

proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului şi datorită faptului că aceste

caracteristici nu au mai fost studiate pentru straturile nanocompozit de Co-

TiO2 icircn matrice metalică de Co Proprietăţile structurale şi morfologice

precum şi rezistenţa la coroziune a filmelor nanocompozit Co-TiO2 icircn matrice

metalică de Co au fost studiate de către S Sanjabi şi A Shirani [9]

Icircn capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea

electrochimică a straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2

sunt prezentate noţiunile de bază cu privire la mecanismul de preparare

electrolitică şi rezultatele experimentale obţinute din studiile de voltametrie

ciclică şi cronoamperometrie privind tipul de nucleaţie şi creştere a filmelor

de Co şi Co-TiO2

Straturile subţiri nanocompozit Co-TiO2 studiate icircn cadrul tezei au fost

preparate prin metoda electrolitică pe substrat de cupru folosind o soluție de

depunere pe bază de sulfat de cobalt cu conţinut de nanoparticule de TiO2

dispersate icircn condiții de agitare a soluției electrolitice Electrodepunerea şi

experimentele necesare caracterizării probelor magnetice de Co şi a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 au fost realizate la temperatura camerei

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 8: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

514 Influenţa grosimii stratului nanocompozit asupra rezistenţei şi

magnetorezistenţei (seria F)helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip185

515 Studiul R(H) şi MR(H) a filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2 obţinute

prin electrodepunere la diferite viteze de agitare a soluţiei electroliticehelliphelliphellip186

516 Studiul proprietăţilor de transport pentru filmele nanocompozit pe bază de

Co-TiO2 obţinute prin electrodepunere icircn regim galvanostatic helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip187

517 Concluzii privind influenţa parametrilor de lucru asupra caracteristicilor

funcţionale ale straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip189

52 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale morfologice

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphellip190

521 Prezentarea probelor şi a modului de realizare a tratamentului termic hellip192

522 Influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor

nanocompozit pe bază de Co-TiO2 depuse icircn regim galvanostatichelliphelliphelliphelliphellip193

523 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei şi caracteristicilor

morfologice ale filmelor nanocompozit pe bază de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphellip197

524 Influenţa tratamentului termic asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip200

525 Influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor magnetice ale straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip203

526 Studiul anizotropiei magnetice a filmelor nanocompozit Co-TiO2 prin

metoda magnetometrului de torsiunehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip208

527 Cercetări privind influenţa tratamentului termic asupra proprietătilor de

transport ale straturilor nanocompozit de Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip215

528 Concluzii privind influenţa tratamentului termic asupra proprietăţilor

structurale morfologice magnetice şi de transport ale straturilor subţiri pe bază de

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip218

53 Cercetări preliminare privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de Co şi de Co-TiO2219

531 Prezentarea fenomenelor de magnetizare fotoindusă şi de magnetizare prin

fototunelare 220

532 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra morfologiei şi

compoziţiei straturilor nanocompozit de Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip222

533 Influenţa radiaţiei UV asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip222

534 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip224

535 Influenţa radiaţiei UV asupra rezistentei electrice a filmelor subţiri de Co şi

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip227

536 Concluzii privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri de Co şi straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2236

54 Caracterizarea şi comportamentul fotocatalitic al straturilor de Co-TiO2 sub

influenţa radiaţiei UVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

541 Prezentarea rezultatelor experimentale din literatura de specialitate privind

proprietăţile fotocatalitice ale TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

542 Cercetări experimentale privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul

straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip240

543 Concluzii privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip244

Concluziihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip245

Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip248

Anexehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 1 Lista lucrărilor ştiinţifice publicate şi a comunicărilor stiinţifice realizate icircn

cadrul tezei de doctorathelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 2 Lucrări publicate

Introducere

Icircn urma descoperirii feromagnetismului la temperatura camerei icircn

semiconductorii de dioxid de titan dopaţi cu Co o mare atenţie a fost

concentrată pe studiul filmelor de TiO2 dopat cu Co datorită potenţialelor

aplicaţii icircn spintronică Am ales să studiem acest material compozit datorită

proprietăților semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn fotocataliză şi

fotoelectrocataliză cacirct şi proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului dar mai

ales datorită faptului că aceste caracteristici nu au mai fost studiate pentru

straturile nanocompozit de Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice Astfel au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru mai multe serii de probe la care au fost

modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din soluţia electrolitică

cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă grosimea stratului depus d

viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi densitatea de curent aplicată icircn

timpul electrodepunerii J Icircn fiecare caz ceilalţi parametri de lucru au fost

menţinuţi la valoare constantă

Pentru studiul caracteristicilor magnetice s-au trasat ciclurile de

histerezis şi curbele de torsiune din care au fost determinate următoarele

mărimi caracteristice magnetizaţia de saturaţie Ms magnetizaţia remanentă

Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi factor de rectangularitate a

ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK constanta efectivă de

anizotropie Kef Tipul de anizotropie a filmelor de Co şi Co-TiO2 a fost

determinat din curbele de torsiune Icircn vederea găsirii unor posibilităţi pentru

aplicaţii tehnologice au fost studiate proprietăţile de transport ale filmelor din

care au fost determinate rezistenţa R şi magnetorezistenţa MR a probelor

Icircn capitolul 1 intitulat Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul

materialelor magnetice nanocompozit sunt prezentate cacircteva noţiuni cu

privire la caracteristicile materialelor nanocompozit şi o parte dintre rezultatele

experimentale obţinute de către alţi autori icircn domeniul materialelor

nanocompozit pe baza de TiO2 Astfel prin nanocompozit se icircnțelege un

material solid multifazic conținacircnd două sau mai multe faze icircn care una din

faze are una două sau trei dimensiuni de ordinul nanometrilor adică este de

mărime mai mică decacirct 100 nanometri (nm) [1] Materialele nanocompozit pot

fi clasificate icircn trei categorii diferite icircn funcţie de natura materialelor matrice

și anume a) nanocompozite cu matrice ceramică b) nanocompozite cu matrice

metalică și c) nanocompozite cu matrice polimerică [2]

De la descoperirea lor de către Matsumoto şi colaboratorii [3] filmele

subţiri de Co-TiO2 icircn matrice semiconductoare de TiO2 au atras atenţia multor

cercetători datorită valorii icircnalte a temperaturii Curie (Tc) şi a existenţei

fenomenului de feromagnetism indus Icircn literatura de specialitate sunt

prezentate rezultate experimentale privind caracteristicile structurale

morfologice magnetice şi optice ale filmelor nanocompozit de Co-TiO2 icircn

care dopantul Co este inclus icircn materialul semiconductor TiO2 [3 4]

Conform literaturii de specialitate din ultimii ani au fost publicate

lucrări privind co-depunerea electrolitică de TiO2 cu componenta metalică Ni

Cu Ag şi Zn [5 6] Caracteristicile nanocompozitelor sunt influenţate de

parametrii de depunere şi anume de tipul curentului de depunere compoziţia

soluției electrolitice pH-ul băii concentraţia de particule şi temperatura

Straturile compozit electrodepuse produc icircmbunătățirea unor proprietăţi ale

materialelor pe care se depun cum ar fi microduritatea rezistenţa la uzură

avacircnd și o rezistenţă la coroziune remarcabilă [7 8] Aceste proprietăţi

icircmbunătățite depind icircn principal de natura particulelor co-depuse precum şi de

distribuţia particulelor icircn matricea metalică (de morfologia probelor)

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice

Am ales să studiem acest material compozit datorită proprietăților

semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn focataliză şi fotoelectrocataliză şi

proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului şi datorită faptului că aceste

caracteristici nu au mai fost studiate pentru straturile nanocompozit de Co-

TiO2 icircn matrice metalică de Co Proprietăţile structurale şi morfologice

precum şi rezistenţa la coroziune a filmelor nanocompozit Co-TiO2 icircn matrice

metalică de Co au fost studiate de către S Sanjabi şi A Shirani [9]

Icircn capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea

electrochimică a straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2

sunt prezentate noţiunile de bază cu privire la mecanismul de preparare

electrolitică şi rezultatele experimentale obţinute din studiile de voltametrie

ciclică şi cronoamperometrie privind tipul de nucleaţie şi creştere a filmelor

de Co şi Co-TiO2

Straturile subţiri nanocompozit Co-TiO2 studiate icircn cadrul tezei au fost

preparate prin metoda electrolitică pe substrat de cupru folosind o soluție de

depunere pe bază de sulfat de cobalt cu conţinut de nanoparticule de TiO2

dispersate icircn condiții de agitare a soluției electrolitice Electrodepunerea şi

experimentele necesare caracterizării probelor magnetice de Co şi a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 au fost realizate la temperatura camerei

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 9: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

532 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra morfologiei şi

compoziţiei straturilor nanocompozit de Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip222

533 Influenţa radiaţiei UV asupra compoziţiei straturilor nanocompozit

determinată prin tehnica spectroscopiei de fotoelectroni de raze X (XPS)helliphellip222

534 Rezultate experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

caracteristicilor magnetice ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunerehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip224

535 Influenţa radiaţiei UV asupra rezistentei electrice a filmelor subţiri de Co şi

Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip227

536 Concluzii privind influenţa radiaţiei ultraviolete asupra proprietăţilor

magnetice şi de transport ale straturilor subţiri de Co şi straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2236

54 Caracterizarea şi comportamentul fotocatalitic al straturilor de Co-TiO2 sub

influenţa radiaţiei UVhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

541 Prezentarea rezultatelor experimentale din literatura de specialitate privind

proprietăţile fotocatalitice ale TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip237

542 Cercetări experimentale privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul

straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip240

543 Concluzii privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip244

Concluziihelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip245

Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip248

Anexehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 1 Lista lucrărilor ştiinţifice publicate şi a comunicărilor stiinţifice realizate icircn

cadrul tezei de doctorathelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip262

Anexa 2 Lucrări publicate

Introducere

Icircn urma descoperirii feromagnetismului la temperatura camerei icircn

semiconductorii de dioxid de titan dopaţi cu Co o mare atenţie a fost

concentrată pe studiul filmelor de TiO2 dopat cu Co datorită potenţialelor

aplicaţii icircn spintronică Am ales să studiem acest material compozit datorită

proprietăților semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn fotocataliză şi

fotoelectrocataliză cacirct şi proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului dar mai

ales datorită faptului că aceste caracteristici nu au mai fost studiate pentru

straturile nanocompozit de Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice Astfel au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru mai multe serii de probe la care au fost

modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din soluţia electrolitică

cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă grosimea stratului depus d

viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi densitatea de curent aplicată icircn

timpul electrodepunerii J Icircn fiecare caz ceilalţi parametri de lucru au fost

menţinuţi la valoare constantă

Pentru studiul caracteristicilor magnetice s-au trasat ciclurile de

histerezis şi curbele de torsiune din care au fost determinate următoarele

mărimi caracteristice magnetizaţia de saturaţie Ms magnetizaţia remanentă

Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi factor de rectangularitate a

ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK constanta efectivă de

anizotropie Kef Tipul de anizotropie a filmelor de Co şi Co-TiO2 a fost

determinat din curbele de torsiune Icircn vederea găsirii unor posibilităţi pentru

aplicaţii tehnologice au fost studiate proprietăţile de transport ale filmelor din

care au fost determinate rezistenţa R şi magnetorezistenţa MR a probelor

Icircn capitolul 1 intitulat Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul

materialelor magnetice nanocompozit sunt prezentate cacircteva noţiuni cu

privire la caracteristicile materialelor nanocompozit şi o parte dintre rezultatele

experimentale obţinute de către alţi autori icircn domeniul materialelor

nanocompozit pe baza de TiO2 Astfel prin nanocompozit se icircnțelege un

material solid multifazic conținacircnd două sau mai multe faze icircn care una din

faze are una două sau trei dimensiuni de ordinul nanometrilor adică este de

mărime mai mică decacirct 100 nanometri (nm) [1] Materialele nanocompozit pot

fi clasificate icircn trei categorii diferite icircn funcţie de natura materialelor matrice

și anume a) nanocompozite cu matrice ceramică b) nanocompozite cu matrice

metalică și c) nanocompozite cu matrice polimerică [2]

De la descoperirea lor de către Matsumoto şi colaboratorii [3] filmele

subţiri de Co-TiO2 icircn matrice semiconductoare de TiO2 au atras atenţia multor

cercetători datorită valorii icircnalte a temperaturii Curie (Tc) şi a existenţei

fenomenului de feromagnetism indus Icircn literatura de specialitate sunt

prezentate rezultate experimentale privind caracteristicile structurale

morfologice magnetice şi optice ale filmelor nanocompozit de Co-TiO2 icircn

care dopantul Co este inclus icircn materialul semiconductor TiO2 [3 4]

Conform literaturii de specialitate din ultimii ani au fost publicate

lucrări privind co-depunerea electrolitică de TiO2 cu componenta metalică Ni

Cu Ag şi Zn [5 6] Caracteristicile nanocompozitelor sunt influenţate de

parametrii de depunere şi anume de tipul curentului de depunere compoziţia

soluției electrolitice pH-ul băii concentraţia de particule şi temperatura

Straturile compozit electrodepuse produc icircmbunătățirea unor proprietăţi ale

materialelor pe care se depun cum ar fi microduritatea rezistenţa la uzură

avacircnd și o rezistenţă la coroziune remarcabilă [7 8] Aceste proprietăţi

icircmbunătățite depind icircn principal de natura particulelor co-depuse precum şi de

distribuţia particulelor icircn matricea metalică (de morfologia probelor)

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice

Am ales să studiem acest material compozit datorită proprietăților

semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn focataliză şi fotoelectrocataliză şi

proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului şi datorită faptului că aceste

caracteristici nu au mai fost studiate pentru straturile nanocompozit de Co-

TiO2 icircn matrice metalică de Co Proprietăţile structurale şi morfologice

precum şi rezistenţa la coroziune a filmelor nanocompozit Co-TiO2 icircn matrice

metalică de Co au fost studiate de către S Sanjabi şi A Shirani [9]

Icircn capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea

electrochimică a straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2

sunt prezentate noţiunile de bază cu privire la mecanismul de preparare

electrolitică şi rezultatele experimentale obţinute din studiile de voltametrie

ciclică şi cronoamperometrie privind tipul de nucleaţie şi creştere a filmelor

de Co şi Co-TiO2

Straturile subţiri nanocompozit Co-TiO2 studiate icircn cadrul tezei au fost

preparate prin metoda electrolitică pe substrat de cupru folosind o soluție de

depunere pe bază de sulfat de cobalt cu conţinut de nanoparticule de TiO2

dispersate icircn condiții de agitare a soluției electrolitice Electrodepunerea şi

experimentele necesare caracterizării probelor magnetice de Co şi a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 au fost realizate la temperatura camerei

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 10: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

Introducere

Icircn urma descoperirii feromagnetismului la temperatura camerei icircn

semiconductorii de dioxid de titan dopaţi cu Co o mare atenţie a fost

concentrată pe studiul filmelor de TiO2 dopat cu Co datorită potenţialelor

aplicaţii icircn spintronică Am ales să studiem acest material compozit datorită

proprietăților semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn fotocataliză şi

fotoelectrocataliză cacirct şi proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului dar mai

ales datorită faptului că aceste caracteristici nu au mai fost studiate pentru

straturile nanocompozit de Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice Astfel au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru mai multe serii de probe la care au fost

modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din soluţia electrolitică

cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă grosimea stratului depus d

viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi densitatea de curent aplicată icircn

timpul electrodepunerii J Icircn fiecare caz ceilalţi parametri de lucru au fost

menţinuţi la valoare constantă

Pentru studiul caracteristicilor magnetice s-au trasat ciclurile de

histerezis şi curbele de torsiune din care au fost determinate următoarele

mărimi caracteristice magnetizaţia de saturaţie Ms magnetizaţia remanentă

Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi factor de rectangularitate a

ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK constanta efectivă de

anizotropie Kef Tipul de anizotropie a filmelor de Co şi Co-TiO2 a fost

determinat din curbele de torsiune Icircn vederea găsirii unor posibilităţi pentru

aplicaţii tehnologice au fost studiate proprietăţile de transport ale filmelor din

care au fost determinate rezistenţa R şi magnetorezistenţa MR a probelor

Icircn capitolul 1 intitulat Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul

materialelor magnetice nanocompozit sunt prezentate cacircteva noţiuni cu

privire la caracteristicile materialelor nanocompozit şi o parte dintre rezultatele

experimentale obţinute de către alţi autori icircn domeniul materialelor

nanocompozit pe baza de TiO2 Astfel prin nanocompozit se icircnțelege un

material solid multifazic conținacircnd două sau mai multe faze icircn care una din

faze are una două sau trei dimensiuni de ordinul nanometrilor adică este de

mărime mai mică decacirct 100 nanometri (nm) [1] Materialele nanocompozit pot

fi clasificate icircn trei categorii diferite icircn funcţie de natura materialelor matrice

și anume a) nanocompozite cu matrice ceramică b) nanocompozite cu matrice

metalică și c) nanocompozite cu matrice polimerică [2]

De la descoperirea lor de către Matsumoto şi colaboratorii [3] filmele

subţiri de Co-TiO2 icircn matrice semiconductoare de TiO2 au atras atenţia multor

cercetători datorită valorii icircnalte a temperaturii Curie (Tc) şi a existenţei

fenomenului de feromagnetism indus Icircn literatura de specialitate sunt

prezentate rezultate experimentale privind caracteristicile structurale

morfologice magnetice şi optice ale filmelor nanocompozit de Co-TiO2 icircn

care dopantul Co este inclus icircn materialul semiconductor TiO2 [3 4]

Conform literaturii de specialitate din ultimii ani au fost publicate

lucrări privind co-depunerea electrolitică de TiO2 cu componenta metalică Ni

Cu Ag şi Zn [5 6] Caracteristicile nanocompozitelor sunt influenţate de

parametrii de depunere şi anume de tipul curentului de depunere compoziţia

soluției electrolitice pH-ul băii concentraţia de particule şi temperatura

Straturile compozit electrodepuse produc icircmbunătățirea unor proprietăţi ale

materialelor pe care se depun cum ar fi microduritatea rezistenţa la uzură

avacircnd și o rezistenţă la coroziune remarcabilă [7 8] Aceste proprietăţi

icircmbunătățite depind icircn principal de natura particulelor co-depuse precum şi de

distribuţia particulelor icircn matricea metalică (de morfologia probelor)

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice

Am ales să studiem acest material compozit datorită proprietăților

semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn focataliză şi fotoelectrocataliză şi

proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului şi datorită faptului că aceste

caracteristici nu au mai fost studiate pentru straturile nanocompozit de Co-

TiO2 icircn matrice metalică de Co Proprietăţile structurale şi morfologice

precum şi rezistenţa la coroziune a filmelor nanocompozit Co-TiO2 icircn matrice

metalică de Co au fost studiate de către S Sanjabi şi A Shirani [9]

Icircn capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea

electrochimică a straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2

sunt prezentate noţiunile de bază cu privire la mecanismul de preparare

electrolitică şi rezultatele experimentale obţinute din studiile de voltametrie

ciclică şi cronoamperometrie privind tipul de nucleaţie şi creştere a filmelor

de Co şi Co-TiO2

Straturile subţiri nanocompozit Co-TiO2 studiate icircn cadrul tezei au fost

preparate prin metoda electrolitică pe substrat de cupru folosind o soluție de

depunere pe bază de sulfat de cobalt cu conţinut de nanoparticule de TiO2

dispersate icircn condiții de agitare a soluției electrolitice Electrodepunerea şi

experimentele necesare caracterizării probelor magnetice de Co şi a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 au fost realizate la temperatura camerei

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 11: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

aplicaţii tehnologice au fost studiate proprietăţile de transport ale filmelor din

care au fost determinate rezistenţa R şi magnetorezistenţa MR a probelor

Icircn capitolul 1 intitulat Stadiul actual al cercetărilor icircn domeniul

materialelor magnetice nanocompozit sunt prezentate cacircteva noţiuni cu

privire la caracteristicile materialelor nanocompozit şi o parte dintre rezultatele

experimentale obţinute de către alţi autori icircn domeniul materialelor

nanocompozit pe baza de TiO2 Astfel prin nanocompozit se icircnțelege un

material solid multifazic conținacircnd două sau mai multe faze icircn care una din

faze are una două sau trei dimensiuni de ordinul nanometrilor adică este de

mărime mai mică decacirct 100 nanometri (nm) [1] Materialele nanocompozit pot

fi clasificate icircn trei categorii diferite icircn funcţie de natura materialelor matrice

și anume a) nanocompozite cu matrice ceramică b) nanocompozite cu matrice

metalică și c) nanocompozite cu matrice polimerică [2]

De la descoperirea lor de către Matsumoto şi colaboratorii [3] filmele

subţiri de Co-TiO2 icircn matrice semiconductoare de TiO2 au atras atenţia multor

cercetători datorită valorii icircnalte a temperaturii Curie (Tc) şi a existenţei

fenomenului de feromagnetism indus Icircn literatura de specialitate sunt

prezentate rezultate experimentale privind caracteristicile structurale

morfologice magnetice şi optice ale filmelor nanocompozit de Co-TiO2 icircn

care dopantul Co este inclus icircn materialul semiconductor TiO2 [3 4]

Conform literaturii de specialitate din ultimii ani au fost publicate

lucrări privind co-depunerea electrolitică de TiO2 cu componenta metalică Ni

Cu Ag şi Zn [5 6] Caracteristicile nanocompozitelor sunt influenţate de

parametrii de depunere şi anume de tipul curentului de depunere compoziţia

soluției electrolitice pH-ul băii concentraţia de particule şi temperatura

Straturile compozit electrodepuse produc icircmbunătățirea unor proprietăţi ale

materialelor pe care se depun cum ar fi microduritatea rezistenţa la uzură

avacircnd și o rezistenţă la coroziune remarcabilă [7 8] Aceste proprietăţi

icircmbunătățite depind icircn principal de natura particulelor co-depuse precum şi de

distribuţia particulelor icircn matricea metalică (de morfologia probelor)

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice

Am ales să studiem acest material compozit datorită proprietăților

semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn focataliză şi fotoelectrocataliză şi

proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului şi datorită faptului că aceste

caracteristici nu au mai fost studiate pentru straturile nanocompozit de Co-

TiO2 icircn matrice metalică de Co Proprietăţile structurale şi morfologice

precum şi rezistenţa la coroziune a filmelor nanocompozit Co-TiO2 icircn matrice

metalică de Co au fost studiate de către S Sanjabi şi A Shirani [9]

Icircn capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea

electrochimică a straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2

sunt prezentate noţiunile de bază cu privire la mecanismul de preparare

electrolitică şi rezultatele experimentale obţinute din studiile de voltametrie

ciclică şi cronoamperometrie privind tipul de nucleaţie şi creştere a filmelor

de Co şi Co-TiO2

Straturile subţiri nanocompozit Co-TiO2 studiate icircn cadrul tezei au fost

preparate prin metoda electrolitică pe substrat de cupru folosind o soluție de

depunere pe bază de sulfat de cobalt cu conţinut de nanoparticule de TiO2

dispersate icircn condiții de agitare a soluției electrolitice Electrodepunerea şi

experimentele necesare caracterizării probelor magnetice de Co şi a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 au fost realizate la temperatura camerei

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 12: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

avacircnd și o rezistenţă la coroziune remarcabilă [7 8] Aceste proprietăţi

icircmbunătățite depind icircn principal de natura particulelor co-depuse precum şi de

distribuţia particulelor icircn matricea metalică (de morfologia probelor)

Icircn cadrul tezei de doctorat ne-am propus prepararea şi obţinerea prin

electrodepunere a unor straturi subţiri magnetice nanocompozit pe baza

sistemului Co-TiO2 şi studierea proprietăţilor morfologice structurale

magnetice de transport şi fotocatalitice ce apar la aceste structuri icircn vederea

găsirii unor posibilităţi pentru aplicaţii tehnologice

Am ales să studiem acest material compozit datorită proprietăților

semiconductoare ale TiO2 cu aplicaţii icircn focataliză şi fotoelectrocataliză şi

proprietăţilor feromagnetice ale cobaltului şi datorită faptului că aceste

caracteristici nu au mai fost studiate pentru straturile nanocompozit de Co-

TiO2 icircn matrice metalică de Co Proprietăţile structurale şi morfologice

precum şi rezistenţa la coroziune a filmelor nanocompozit Co-TiO2 icircn matrice

metalică de Co au fost studiate de către S Sanjabi şi A Shirani [9]

Icircn capitolul 2 Cercetări experimentale privind prepararea

electrochimică a straturilor subțiri nanocompozit din sistemul Co-TiO2

sunt prezentate noţiunile de bază cu privire la mecanismul de preparare

electrolitică şi rezultatele experimentale obţinute din studiile de voltametrie

ciclică şi cronoamperometrie privind tipul de nucleaţie şi creştere a filmelor

de Co şi Co-TiO2

Straturile subţiri nanocompozit Co-TiO2 studiate icircn cadrul tezei au fost

preparate prin metoda electrolitică pe substrat de cupru folosind o soluție de

depunere pe bază de sulfat de cobalt cu conţinut de nanoparticule de TiO2

dispersate icircn condiții de agitare a soluției electrolitice Electrodepunerea şi

experimentele necesare caracterizării probelor magnetice de Co şi a filmelor

nanocompozit de Co-TiO2 au fost realizate la temperatura camerei

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 13: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

Electrodepunerea s-a făcut atacirct icircn regim potenţiostatic cacirct şi icircn regim

galvanostatic folosind o celulă cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină

(Pt) catodul din cupru texturat cfc (100) sub formă de disc cu diametrul de

230 mm şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir de platină icircnglobat icircn

sticlă cu suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Icircn general soluţia

electrolitică conţine sulfat de cobalt CoSO47H2O acid boric H3BO3 pulbere

de dioxid de titan TiO2 Degussa (amestec de rutil şi anatas) cu diametrul

mediu al nanoparticulelor de aproximativ 28 nm dispersate icircn soluţia

electrolitică şi cacircteva substanţe adiționale (NaCl Na2SO4∙10H2O C6H

15NO

3)

selectate prin experimente de electrodepunere preliminare icircn funcție de

calitatea stratului obținut Particulele de TiO2 au fost menţinute icircn suspensie icircn

electrolit prin agitarea soluţiei cu un agitator magnetic

Instalaţia electrică utilizată la depunerea probelor conţine o sursă de

tem E care poate funcţiona icircn regim de potenţial constant sau de curent

constant și instrumente de măsură cu ajutorul cărora se determină diferenţa de

potenţial icircntre anod şi catod respectiv icircntre catod şi electrodul de referinţă

Icircn subcapitolul 22 sunt prezentate soluţiile utilizate icircn vederea

preparării straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 şi rezultatele

experimentale obţinute prin studiile de voltametrie ciclică

Pentru obţinerea filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit de Co-

TiO2 studiate icircn cadrul tezei de doctorat au fost utilizate mai multe soluţii Icircn

tabelul II1 sunt prezentate componentele soluţiilor utilizate pentru obţinerea

straturilor subţiri de Co şi a straturilor nanocompozit de Co-TiO2

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 14: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

Tabelul II1 Componentele soluţiilor utilizate la electrodepunerea straturilor subţiri de

Co şi Co-TiO2

Denumirea

substantelor

componente

CoSO4

7H2O

gL

TiO2

gL

H3BO3

gL

NaCl

gL

Na2SO4∙

10H2O

gL

C6H

15NO

3

ml

Soluţia I

200

00

300

400

400

08

Soluţia II 085

Soluţia III 35

Soluţia IV

100

00

150

200

200

04 Soluţia V 05

Soluţia VI 50

Soluţia VII 10

Soluţia VIII 30

Soluţia IX 130 28 195 260 260 05

Icircn figura 21(a şi b) prezentăm spre exemplificare voltamogramele

ciclice J = f(Uref) (reprezentacircnd densitatea de curent icircn funcție de potențialul

catodului față de electrodul de referință) icircnregistrate la depunerea unui strat de

Co (figura 21 a) şi respectiv a unui strat nanocompozit Co-TiO2 (figura 21 b)

din soluțiile I și II (tabel I)

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

2

1

Sol I

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

a)

1

-20 -15 -10 -05 00-120

-100

-80

-60

-40

-20

02

2

2

2

1

1

1 Sol II

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

1

b)

Figura 21 Curbele J = f(Uref) pentru soluţiile electrolitice I (a) şi II (b)

Atunci cacircnd potenţialul catodic este crescător (pentru curbele notate cu

1) au loc procese de depunere a straturilor şi descărcare a ionilor de H2 şi de

includere a TiO2 icircn strat Pentru curbele notate cu 2 parcurse icircn ordinea

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 15: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

potenţialului catodic descrescător procesele fizice se modifică avacircnd loc

desorbţia componentelor stratului

Conform figurii 21 (a) potenţialul catodic la care icircncepe depunerea

ionilor de Co este -066 V concomitent avacircnd loc şi procese de descărcare a

H2 la catod Procesul de includere a TiO2 icircn strat icircncepe la potenţiale catodice

apropiate de -11 V cacircnd se icircnregistrează modificarea pantei curbei J = f(Uref)

(figura 21 (b)) Conform rezultatelor obţinute din studiile de voltametrie

ciclică potenţialul de descărcare al ionului Co++

depinde de concentraţia de

TiO2 icircn soluţie astfel s-a obţinut că potenţialul de descărcare a ionului metalic

Co++

la catod creşte odată cu concentraţia de TiO2 icircn soluția electrolitică

Icircn amp 23 sunt prezentate seriile de probe nanocompozit Co-TiO2 şi

parametrii de lucru precum şi rezultatele experimentale obţinute prin metoda

cronoamperometrică privind determinarea mecanismului de nucleaţie ndash

creştere a filmelor nanocompozit

Din soluţiile prezentate icircn tabelul 1 au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2 din

soluţia electrolitică cTiO2 (seriile A şi B) tensiunea de depunere la sursă Usursă

(seriile C şi D) grosimea stratului depus d (seriile E şi F) viteza de agitare a

soluţiei electrolitice v (seria G) şi densitatea de curent aplicată icircn timpul

electrodepunerii J (seria H)

Tabel II2 Notaţii privind straturile nanocompozit depuse la diferite concentraţii de TiO2

icircn soluţie şi parametrii de lucru utilizaţi (v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2

(gL)

cCoSO4middot7H2O

(gL)

d

(μm) Usursă

(V)

A

A1 00

200

30

A2 085 40

A3 35

B

B1 00

100

32

30 B2 05 32

B3 30 31

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 16: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

Tabel II3 Parametrii de lucru şi notaţia probelor electrodepuse la diferite valori ale

tensiunii de electrodepunere (cCoSO4middot7H2O = 200 gL v = 500 rotmin)

Tabel II4 Straturile subţiri nanocompozit depuse la valori diferite a cantităţii Q de

electricitate ce trece prin electrolit (cCoSO4middot7H2O = 100 gL U sursă = 30 V v = 500 rotmin)

Tabelul II5 Parametrii de lucru şi notațiile pentru probele electrodepuse cu diferite

viteze de lucru ale agitatorului magnetic

Seria Proba v (rotmin) Q(C) d(μm)

G

G1 300 531 33

G2 500 536 34

G3 750 535 335

Tabelul II6 Parametrii de lucru şi notații pentru probele electrodepuse la valori diferite

ale densităţii de curent (cCoSO4middot7H2O = 130 gL cTiO2 = 28 gL v = 500 rotmin)

Seria Proba cTiO2 (gL) d (μm) Usursă (V)

C

C1

085

294 35

C2 300 40

C3 300 45

D

D1

35

298 35

D2 300 40

D3 295 45

Seria Proba cTiO2 (gL) t(s) Q(C) D (μm)

E

E1

10

60 13 008

E2 180 39 021

E3 300 59 034

E4 600 201 114

F

F1

30

60 12 007

F2 180 37 021

F3 300 56 033

F4 600 109 063

Seria Proba J(Adm2) Q(C) d (μm)

H

H1 11 498 28

H2 22 511 29

H3 26 512 29

H4 32 504 285

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 17: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

Din studiile experimentale realizate prin metoda cronoamperometrică s-

a constatat că densitatea curentului de electrodepunere urmează un traseu

similar pentru toate probele dintr-o serie atinge icircn cacircteva secunde o valoare

maximă scade apoi pacircnă la o valoare minimă specifică fiecărei probe după

care rămacircne aproximativ constantă depunerea stratului stabilizacircndu-se Icircn

primele secunde se formează primele nuclee (sau germeni cristalini) ale

metalului ce se depune la catod iar substratul de Cu se acoperă cu primul strat

depus Imediat curentul scade fiind limitat de difuzie putem presupune că

această porțiune a curbelor descrie procese de creştere şi de nucleație a

stratului urmate de creșterea stratului icircn regim staționar Conform studiilor

cronoamperometrice atacirct valoarea densităţii de curent maximă cacirct şi cea icircn

care depunerea straturilor se stabilizează depind de parametrul de

electrodepunere variat Din forma curbelor cronoamperometrice prezentate s-a

constat că pentru straturile subţiri de Co şi straturile nanocompozit de Co-TiO2

electrodepuse procesul de nucleaţie este de tip progresiv [10]

Icircn capitolul 3 Caracterizarea structurală şi morfologică a straturilor

subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele experimentale

proprii cu privire la structura compoziţia şi morfologia filmelor de Co şi Co-

TiO2

Din analizele XRD realizate prin difractometria de radiaţii X (realizate

cu difractometrul model Shimadzu LabX XRD-6000) s-a obţinut că atacirct icircn

straturile subţiri de Co cacirct şi icircn straturile nanocompozit Co-TiO2 cobaltul se

depune cu structura hcp Dimensiunea medie (D) a cristalitelor de Co

determinată cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] depinde de parametrul de

lucru studiat icircn cazul fiecărei serii de probe după cum urmează

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 18: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

- D creşte (de la 13 nm la 16 nm) odată cu creşterea concentraţiei de

TiO2 din soluţie (de la 00 gL la 35 gL) pentru probele din seria A şi cu

creşterea tensiunii de electrodepunere de la 35 V la 40 V pentru seria D

- creşterea grosimii stratului depus (de la 007 μm la 063 μm) icircn cazul

straturilor din seria F şi a densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii

(seria H) au determinat creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co de la 9

nm la 10 nm şi respectiv de la 10 nm la 12 nm

- creşterea vitezei de agitare a soluţiei electrolitice de la 300 rotmin la

750 rotmin pentru probele G1 G2 şi G3 determină scăderea valorilor lui D de

la 24 nm la 20 nm

Icircn continuare prezentăm spre exemplificare difractogramele XRD

pentru probele A1 A2 şi respectiv A3 Difractogramele au fost icircnregistrate

pentru 2θ cuprins icircntre 15deg - 100deg dar vom prezenta doar regiunea specifică

liniilor Co

40 42 44 46 48 50

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

A1 A2 A3

a)

b)

c)

(10

0)

(00

2)

(10

1)

Figura 31 Difractogramele XRD (extindere pentru regiunea liniilor pentru Co) pentru filmele

a) A1 b) A2 şi c) A3 [10]

Prin identificarea picurilor din aceste difractograme a rezultat că atacirct

icircn filmul de Co (proba A1) cacirct şi filmele nanocompozit de Co-TiO2 (probele

A2 şi A3) Co se depune cu structura hcp Dimensiunea medie a cristalitelor de

Co calculată din aceste difractograme cu ajutorul relaţiei Scherrer [11 12] este

13 nm pentru proba A1 şi 16 nm pentru probele A2 A3 [10]

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 19: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

Icircn subcapitolul 32 sunt prezentate rezultatele experimentale privind

compoziţia chimică şi morfologia filmelor de Co şi a filmelor nanocompozit

Co-TiO2 rezultate obţinute prin utilizarea microscopiei electronice de scanare

SEMEDAX realizate folosind un microscop electronic de scanare SEM

model VEGA II LSH Conform acestor experimente cantitatea de Ti (respectiv

TiO2) icircn strat creşte (de la 00 at la 12 at) cu creşterea concentraţiei de

TiO2 icircn soluţia electrolitică (de la 00 gL la 35 gL) cu creşterea tensiunii de

electrodepunere de la 35 V la 4 V Icircn cazul probelor depuse icircn regim

galvanostatic cea mai mare cantitate de Ti (98 at) icircn strat s-a obţinut pentru

densitatea de curent cea mai ridicată (32 Adm2)

Icircn general conform datelor prezentate icircn acest paragraf cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn strat

ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile nanocompozit

au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare comparativ cu cele de Co

Rezultatele experimentale privind morfologia suprafeţei filmelor

obţinute prin electrodepunere au arătat că grăunţii de Co au crescut pornind

din locuri (poziţii) de nucleaţie diferite pe substratul Cu printr-un mecanism de

nucleație și creștere progresivă de tip Volmer-Weber şi au tendinţa de a forma

conglomerate icircn special icircn cazul probelor cu conţinut ridicat de TiO2

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 32 (a şi b) imaginile SEM

obţinute pentru filmele nanocompozit H1 şi H4 depuse din soluţii electrolitice

cu cTiO2 = 28 gL la densităţi de curent diferite (11 Adm2 şi 32 Adm

2)

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 20: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

Figura 32 Micrografiile SEM pentru straturile nanocompozit obţinute la valori diferite ale

densităţii de curent (a) 11 Amiddotdmminus2 şi (b) 32 Amiddotdmminus2 [13]

Prin icircncorporarea de TiO2 icircn filme morfologia suprafeței probelor

nanocompozit este schimbată treptat Prin creşterea cantităţii de nanoparticule

de TiO2 icircn soluţia electrolitică prin creşterea densităţii de curent sau prin

creşterea grosimii stratului etc morfologia filmelor este complet schimbată

apăracircnd cristalite sub formă de bdquoconopidărdquo cu cristalite de formă piramidală icircn

jur Deoarece suprafața catodului este parțial acoperită de nanoparticule de

TiO2 neconductive densitatea de curent crește la nivel local conducacircnd la

creșterea nucleației cobaltului icircn poziţii preferate Astfel cristalele de cobalt

au nucleat și crescut icircn formă de conopidă și piramidă icircn straturi [13] Acest

comportament poate fi icircnțeles icircn termenii modelului de adsorbţie a lui

Guglielmi care se desfăşoară icircn două etape [14] modelul descrie cantitativ

influenţa conţinutului de particule icircn electrolit şi a densităţii de curent asupra

icircncorporării de particule icircn matricea metalică

Prin corelarea rezultatelor obţinute prin XRD cu cele obţinute prin

SEMEDAX putem afirma că creşterea conţinutului de TiO2 icircn strat determină

creşterea dimensiunii medii a cristalitelor de Co şi modificarea morfologiei

probelor astfel icircncacirct probele cu conţinut scăzut de TiO2 prezintă cristalite fine

cu formă hexagonală sau poligonală spre deosebire de probele cu conţinut

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 21: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

ridicat de TiO2 la care morfologia suprafeţei se schimbă formacircndu-se

aglomerări de particule sub formă de bdquoconopidărdquo

Subcapitolul 33 prezintă rezultatele experimentale privind compoziţia

chimică şi natura fazelor la suprafaţa stratului prin metoda spectroscopiei de

fotoelectroni de raze X (XPS) realizate folosind un spectroscop model PHI

5000 VersaProbe Φ ULVAC-PHI Conform analizelor XPS cantitatea de Ti

respectiv TiO2 la suprafaţa straturilor este influenţată de parametrii de lucru

Astfel creşterea concentraţiei de nanoparticule TiO2 icircn soluţie de la 00 g la

35 gL a determinat la creşterea conţinutului de Ti icircntre valorile 0 ndash 24 at

Creşterea grosimii stratului depus de la 007 μm la 063 μm a determinat

creşterea conţinutului de Ti la suprafaţa stratului de la 09 at la 21 at

Spectrele XPS ale probelor de Co şi Co-TiO2 obţinute prin

electrodepunere au indicat prezenţa picurilor Co2p32 şi Co2p12 pentru cobalt

a picurilor Ti2p32 şi Ti2p12 pentru titan şi a picului O1s pentru oxigenul

icircncorporat icircn stratul nanocompozit Deconvoluţia spectrelor XPS pentru linia

Co2p a arătat că elementul cobalt există icircn filme icircn starea Co2+

sub formă de

cristalite metalice de cobalt ca și icircn referinţa [15] Prezenţa picurilor satelit ale

liniilor Co2p12 şi Co2p32 situate la o energie de legătură ridicată dezvăluie de

asemenea existenţa cobaltului icircn starea de oxidare Co2+

[15 16] Prin

descompunerea spectrului XRD al liniei O1s conform literaturii de specialitate

[17] putem afirma că suprafaţa stratului este parţial acoperită cu gruparea OH

Acelaşi spectru indică prezenţa dioxidului de titan la suprafața stratului [15]

Nivelele de bază ale Ti2p (Ti2p12 şi Ti2p32) icircn straturile nanocompozit

analizate sunt la aproximativ 4644 eV şi respectiv 4588 eV şi sunt icircn

concordanţă cu energiile de legătură ale Ti4+

din faza anatas prezentate icircn

lucrările [18 - 20]

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 22: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

Icircn capitolul 4 Cercetări privind caracteristicile magnetice ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 sunt prezentate rezultatele

experimentale privind influenţa parametrilor de electrodepunere asupra

caracteristicilor magnetice ale probelor de Co şi Co-TiO2 Determinarea

caracteristicilor magnetice s-a realizat cu ajutorul unei instalatii de tip

inductometric (subcapitolul 41) prin trasarea ciclurilor de histerezis şi a

curbelor de dependenţă a susceptibilităţii magnetice de cacircmpul magnetic

aplicat (cacircmpul magnetic se aplică icircn planul probei) şi cu magnetometrul de

torsiune prin trasarea curbelor de torsiune (subcapitolul 42)

Conform rezultatelor experimentale obţinute cu ajutorul instalaţiei

inductometrice caracteristicile magnetice şi anume magnetizaţia de saturaţie

Ms magnetizaţia remanentă Mr cacircmpul coercitiv Hc raportul MrMs numit şi

factor de rectangularitate a ciclului de histerezis cacircmpul de anizotropie HK şi

susceptibilitatea magnetică χc sunt influenţate de parametrii de lucru

Din comparaţia ciclurilor de histerezis corespunzătoare fiecărei serii

de probe s-a constatat că prin creşterea concentraţiei de TiO2 icircn soluţia

electrolitică prin creşterea tensiunii de electrodepunere sau prin creşterea

densităţii de curent aplicat icircn timpul electrodepunerii sunt influenţate icircn mod

descrescător valorile magnetizaţiei de saturaţie ale magnetizaţiei remanente şi

ale susceptibilităţii magnetice Icircn cazul probelor depuse la viteze diferite de

agitare a soluţiei electrolitice (seria G) caracteristicile magnetice Ms Mr şi χc

scad cu creşterea vitezei Acest comportament magnetic al probelor din fiecare

serie icircn parte poate fi atribuit compoziţiei chimice diferite a straturilor după

cum s-a văzut din datele privind concentraţia elementelor chimice icircn strat

obţinute prin SEMEDAX date prezentate icircn subcapitolul 32 Astfel

includerea componentelor neferomagnetice TiO2 şi Co(OH)2 icircn filmul

nanocompozit scade magnetizarea de saturaţie a probelor Variaţia cacircmpului

coercitiv la filmele care conţin nanoparticule este mai puţin evidentă ceea ce

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 23: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

implică faptul că barierele de energie la mişcarea pereţilor de domenii sunt de

aproximativ acelaşi ordin de mărime ca şi icircn filmele de Co cu conţinut diferit

de TiO2 [10]

Prezentăm icircn figura 41 (a şi b) spre exemplificare ciclurile de

histerezis (M = f(H)) şi curbele χ = f(H) pentru probele nanocompozit H1 - H4

obţinute prin electrodepunere pe suport de Cu la valori diferite ale densităţii de

curent (11 Amiddotdm-2

22 Adm-2

26 Amiddotdm-2

şi respectiv 32 Adm-2

)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

M (

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-300

-200

-100

0

100

200

300

(

ua

)

H (kAm)

H1

H2

H3

H4

b)

Figura 41 Curbele M = f(H) (a) şi χ = f (H) (b) pentru probele H1 H2 H3 şi H4

Conform rezultatelor prezentate icircn figurile 41 putem afirma că creșterea

densității de curent determină modificarea proprietățile magnetice ale probei

Noi am constatat că prin menținerea concentrației de TiO2 constantă icircn baia

electrolitică comportamentul magnetic al probelor electrodepuse este mult

influențat de valorile densității de curent Din figura 41 (a) se poate observa că

forma ciclului și cacircmpul coercitiv diferă icircn mod semnificativ cu densitatea de

curent (deci conținutul maxim de TiO2 a filmelor nanocompozite este crescut)

Magnetizaţia de saturație şi susceptibilitatea magnetică χc scad odată cu

creșterea densității de curent care poate fi din cauza includerii unei cantităţi

mai mari de TiO2 icircn filmul nanocompozit Variația cacircmpului coercitiv cu

densitatea de curent este mult mai puțin pronunțată decacirct cea pentru

magnetizarea de saturație Creșterea dimensiunii grăunţilor sub formă de

conopidă cu creșterea densității de curent poate fi o posibilă cauză a reducerii

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 24: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

24

cacircmpului coercitiv ceea ce implică faptul că barierele de energie la mişcarea

pereţilor de domenii sunt mai ușor de depășit Creșterea cacircmpului coercitiv

pentru filmele depuse la densitatea de curent redusă ar putea fi o consecință a

formării de cristalite mici care acționează ca locuri puternice de fixare a

pereţilor de domenii

Curbele de torsiune L = f(θ) trasate cu ajutorul magnetometrului de

torsiune (prezentate icircn subcapitolul 42) au arătat că anizotropia magnetică a

probelor de Co şi Co-TiO2 este influenţată de parametrii de lucru şi implicit de

compoziţia chimică a filmelor Astfel conform rezultatelor experimentale

obţinute probele cu un conţinut foarte scăzut de nanaoparticule de TiO2 (sau

chiar 0 at) prezintă anizotropie magnetică uniaxială cu axa de uşoară

magnetizare apropiată de planul probei Probele cu conţinut ridicat de TiO2 au

direcţia axei de uşoară magnetizare apropiată de direcţia normală la planul

probei

Icircn cazul fiecărei probe au fost trasate curbele L = f(θ) pentru trei valori

diferite ale lui H curbe din care s-a constatat că constanta efectivă de

anizotropie magnetică Kef creşte cu creşterea cacircmpului magnetic aplicat Prin

compararea curbelor L = f(θ) trasate la valoarea maximă a lui H (40 kAm)

pentru probele din fiecare serie am constatat scăderea constantei efective de

anizotropie astfel icircncacirct icircn cadrul fiecărei serii de probe am obţinut valorile cele

mai reduse ale Kef pentru probele cu conţinut ridicat de TiO2 icircn stratul depus

Icircn figura 42 (a şi b) sunt prezentate curbele de torsiune pentru probele

nanocompozit A1 şi A3 trasate de la 0deg la 3600 (F) şi icircn sens invers de la 360

0

la 00 (B) valorile cacircmpului magnetic aplicat sunt 170 kAm 200 kAm şi

400 kAm

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 25: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

25

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A1(00 gl)

a)

0 45 90 135 180 225 270 315 360

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

L (

ua

)

(grade)

(F) (H = 170 kAm) (F) (H = 200 kAm) (F) (H = 400 kAm)

(B) (H = 170 kAm) (B) (H = 200 kAm) (B) (H = 400 kAm)

A3 (35 gl)

b)

Figura 42 Curbele de torsiune trasate pentru probele nanocompozit a) A1 şi c) A3 [10]

Conform figurii 42 odată creşterea cacircmpului magnetic aplicat (de la

170 kAm la 400 kAm) are loc creşterea ariei cuprinse icircntre curbele F şi B

datorată creşterii pierderilor de energie prin histerezis rotaţional Acesta este

un efect specific probelor icircn care există interacţiuni magnetostatice de tip

antiferomagnetic icircntre momentele magnetice localizate la interfaţa dintre

grăunţii cristalini [21 22] Forma curbelor din figura 42 indică existenţa unei

axe de uşoară magnetizare apropiată de planul stratului pentru proba A1 şi a

unei axe de uşoară magnetizare normală la planul stratului pentru proba A3

Astfel putem afirma că introducerea de nanoparticule de TiO2 icircn filmul

subţire nanocompozit modifică direcţia axei de uşoară magnetizare icircn raport cu

planul filmului ca un efect al modificării morfologiei filmelor nanocompozit

[10]

Capitolul cinci Cercetări privind caracteristicile funcţionale ale

straturilor subţiri nanocompozit de Co-TiO2 al tezei de doctorat este

dedicat cercetărilor privind caracteristicile funcţionale ale straturilor subţiri

nanocompozit de Co-TiO2

Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat icircn configuraţie CIP

(curentul icircn planul probei icircntre două contacte din aur care vin icircn contact cu

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 26: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

26

planul probei prin presare cu arc) Icircn această configuraţie cacircmpul magnetic

poate fi aplicat icircn planul probei pe direcţie perpendiculară pe cea a curentului

(CIP transversal H I ) sau pe direcție paralelă cu cea a curentului (CIP

longitudinal H I ) Determinările de magnetorezistenţă s-au realizat la

temperatura camerei S-a folosit următoarea formulă de calcul a

magnetorezistenţei pentru diferite valori ale cacircmpului magnetic aplicat (H)

( ) ( )

( ) 100( )

s

s

R H R HRMR H

R R H

unde Hs+ reprezintă cacircmpul magnetic la saturaţie pozitivă R(H) este valoarea

rezistenţei eşantionului icircn cacircmpul magnetic H măsurată icircntr-un ciclu de

variaţie a cacircmpului magnetic iar R(Hs+) este valoarea rezistenţei eşantionului

icircn cacircmp magnetic la saturaţie pozitivă

Prin compararea curbelor R = f(H) şi MR = f(H) obţinute pentru probele

din fiecare serie s-a observat că rezistenţa electrică şi respectiv

magnetorezistenţa depind de parametrul de lucru specific fiecărei serii şi

implicit de conţinutul chimic al probelor Rezultatele experimentale au arătat

valori ridicate pentru R şi MR icircn cadrul fiecărei serii la probele care conţin o

cantitate mai mare de material nemagnetic (nanoparticule TiO2)

Icircn figura 51 (a) sunt prezentate curbele de dependenţă a rezistenţei

electrice icircn funcţie de cacircmpul magnetic aplicat pentru probele din seria A

Figura 51 (b) prezintă curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) Datorită numărului

limitat de eşantioane curbele vor fi considerate doar ghid pentru ochi

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 27: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

27

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 40020

25

30

35

60

70

80

90

100

R (

m

)

H (kAm)

A1

A2

A3

a)

0 1 2 3 4

40

60

80

100

R

MR

cTiO2

(gl)

R (

m

)

34

36

38

40

42

44

46

48

MR

(

)

b)

Figura 51 Curba R = f(H) (a) şi (b) curbele R = f(cTiO2) şi MR = f(cTiO2) pentru straturile

nanocompozit A1 A2 şi A3 [10]

Din figura 51 (a) se poate remarca că valori mari ale MR se obțin la

cacircmpuri mici (mai mici de 30 kAm) și această magnetorezistență la cacircmp

scăzut este cauzată de dezordinea de spin prin procesul de tunelare la graniţele

grăunţilor şi la interfaţa dintre nanoparticulele de TiO2 icircncorporate icircn matricea

de Co Atunci cacircnd se aplică un cacircmp magnetic dezordinea de spin este

suprimată rezultacircnd valori mari ale MR icircn special la cacircmp scăzut ~ plusmn 30

kAm O analiză a figurii 51 (a şi b) arată că valoarea lui R şi respectiv MR

pentru un conţinut mare de TiO2 icircn strat este mai mare decacirct pentru stratul de

Co Valorile observate ale MR icircn configuraţia CIP_L pentru probele din seria

A sunt 347 417 şi respectiv 475 Deci schimbarea MR este mai

mare la filmele nanocompozit Co-TiO2 icircn comparaţie cu filmul de Co pur

ceea ce indică faptul că creșterea valorilor MR se obţine practic prin formarea

de nanocompozite (figura 51 b)

Icircn paragraful 52 este studiată influenţa tratamentului termic asupra

caracteristicilor structurale morfologice magnetice şi de transport ale probelor

obţinute prin electrodepunere Probele au fost supuse tratamentului termic icircntr-

un cuptor la temperatură de 400oC timp de 30 min cu durata totală de

icircncălzirerăcire pacircnă la 10 ore

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 28: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

28

Rezultatele experimentale obţinute prin XRD privind influenţa

tratamentului termic asupra proprietăţilor structurale ale filmelor de Co-TiO2

au arătat prezenţa Co icircn strat icircn faza hcp atacirct icircnainte cacirct şi după tratamentul

termic După realizarea tratamentului termic s-a constat prezenţa CoO icircn strat

care poate fi explicată prin oxidarea cobaltului metalic prin icircncălzire S-a

constatat și creşterea dimensiunii grăunţilor de Co şi icircn acelaşi timp formarea

CoO icircn strat ceea ce a condus la modificarea caracteristicilor magnetice şi de

transport ale probelor Conform rezultatelor obţinute Ms Mr şi χc scad după

tratamentul termic ca urmare a formării CoO şi a scăderii conţinutului de Co

metalic icircn strat

Prezentăm spre exemplificare icircn figura 52 (a şi b) difractogramele

XRD şi ciclurile de histerezis obţinute icircnainte şi după tratamentul termic

pentru proba H3 depusă la 26 Adm2

350 375 400 425 450 475 500

Co

hc

p(1

01

)

Co

hc

p (

10

0)

Co

O (

11

0)

Co

O (

11

1)

Co-hcp(002)

Intensitatea

(u

a)

2 (grade)

H3_T

H3

a)-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80

-100

-50

0

50

100

MbullV

(u

a)

H (kAm)

H3

H3_T

b)

Figura 52 Difractogramele XRD (a) şi ciclurile de histerezis (b) pentru filmul H3

icircnainte şi după tratamentul termic

Din figura 52 (a) se observă prezenţa a trei picuri la valori ale lui 2θ de

4166deg (100) 4428deg (002) respectiv 4680deg (101) pentru proba H3 icircnainte de

tratament şi a picului de la 2θ = 4422deg (002) după tratamentul termic Picurile

identificate sunt atribuite cobaltului icircn faza hcp conform fişei JCPDS 01 ndash

1278 După realizarea tratamentului termic difractograma obţinută pentru

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 29: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

29

proba mai prezintă H3 prezintă şi picurile de la 2θ = 3684deg şi 2θ = 422deg sunt

atribuite liniilor (110) şi respectiv (111) ale CoO

Din figura 52 (b) se observă scăderea momentului magnetic total

Raportul de rectangularitate a ciclului de histerezis (MrMs) şi cacircmpul coercitiv

(Hc) sunt mai puţin influenţate de către tratamentul termic Conform

rezultatelor obţinute din figura 52 (b) putem constata că caracteristicile

magnetice ale probelor (MsV Mr Hc şi MrMs) sunt influenţate de tratamentul

termic Această modificare a caracteristicilor magnetice poate fi datorată

modificării compoziţiei chimice a stratului şi apariţiei CoO la suprafaţa

stratului conform analizelor XRD SEMEDAX şi XPS

Icircn subcapitolul 53 este studiată influenţa radiaţiei ultraviolete asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale straturilor subţiri nanocompozit de

Co şi de Co-TiO2 Pentru realizarea acestor experimente probele au fost

menţinute sub radiaţie UV timp de 4 ore Icircn timpul iluminării asupra probelor

nu a fost aplicat un cacircmp magnetic exterior

Din ciclurile de histerezis trasate s-a observat că după iradierea cu

radiaţie UV a probelor are loc o modificare a caracteristicilor magnetice (Ms

Mr Hc şi χc) Astfel magnetizaţia de saturaţie cacircmpul coercitiv şi

susceptibilitatea magnetică χc scad Acest rezultat sugerează faptul că procesul

de inversare a magnetizaţiei apare la cacircmpuri magnetice mai mici icircn

comparaţie cu valoarea cacircmpului de inversare a magnetizaţiei icircnregistrată

icircnainte de iluminarea cu radiaţie UV Cacircmpul coercitiv redus durează chiar

după ce s-a oprit lumina reflectacircnd fotoconductivitatea persistentă Acest fapt

indică că reducerea cacircmpului coercitiv la lumina UV este asociată cu

magnetismul indus de purtători Menţionăm că măsurătorile au fost efectuate

la 10 min după stingerea lămpii Propunem interpretarea acestei comportări icircn

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 30: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

30

conformitate cu articolele [23 24] care se referă la inversarea magnetizării

prin fototunelare

Prezentăm spre exemplificare curbele M = f(H) şi χ = f(H) pentru

proba H3 icircnainte şi după iluminarea cu radiaţie UV

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

M (

ua

)

H (kAm)

D

L

H3

a)

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

(

ua

)H (kAm)

D

L

H3

b)

Figura 53 Ciclurile M = f(H) (a) şi χ = f(H) (b) pentru proba H3

Icircn subcapitolul 54 prezentăm rezultatele cercetărilor experimentale

privind procesele fotoelectrochimice icircn cazul straturilor subţiri de Co şi Co-

TiO2

Pentru experimentele electrochimice a fost utilizată o sursă de curent

continuu programabilă Hameg folosind o celulă electrolitică din cuarţ (200

ml) cu trei electrozi avacircnd anodul din folie platină (Pt) catodul fiind proba de

studiat (strat de Co sau Co-TiO2 pe suport de Cu) avacircnd diametrul de 230 mm

şi electrodul de referinţă realizat dintr-un fir din platină icircnglobat icircn sticlă cu

suprafaţa de 006 mm2 expusă icircn electrolit Măsurătorile s-au realizat la

temperatura camerei icircn soluţie de NaOH (01 M) cu pH-ul 11 Icircn timpul

experimentelor tensiunea electrică icircntre anod şi catod a fost variată icircntre

valorile 00 V la 60 V icircn sens crescător şi icircn sens invers de la 60 V la 00 V

Voltamogramele ciclice au fost trasate la icircntuneric şi icircn prezenţa unui fascicul

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 31: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

31

de radiaţie UV ce cade pe suprafaţa catodului cu lungimea de undă λ= 2537

nm

Icircn funcţie de potenţialul de descărcare a O2 se apreciază efectul

electrocatalitic al componentului respectiv cu cacirct este deplasat acest potenţial

spre valori mai pozitive cu atacirct efectul fotocatalitic se consideră mai intens Pe

această bază se observă şi o icircmbunătăţire a proceselor fotocatalitice ale

componentului studiat [25 26- 28]

Icircn figura 54 (a şi b) vom reprezenta la scală mărită voltamogramele

icircnregistrate la icircntuneric (D) şi la lumină (L) pentru probele A1 şi A3 pentru a

pune icircn evidenţă potenţialul de descărcare al O2

-150 -125 -100 -075 -050-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

D

1

3

3

a)

-150 -125 -100 -075

-25

-20

-15

-10

-5

0

J (

mA

cm

2)

Uref

(V)

A1 (Co)

A3 (Co-TiO2)

L

b)

1

3

Figura 54 Curbele J = f(Uref) trasate la icircntuneric (b) şi sub radiaţie UV (d) pentru probele A1 şi A3

Prin compararea curbelor trasate pentru stratul de Co (A1) şi stratul

nanocompozit de Co-TiO2 (A3) la icircntuneric şi sub iradiere UV s-a constatat că

la icircntuneric potenţialul de reducere al O2 este mai mic la stratul A3 faţa de A1

de unde rezultă că la icircntuneric stratul nanocompozit Co-TiO2 este un

fotocatalist mai activ decacirct straturile de Co La lumină straturile A1 şi A3 au

potenţiale de reducere a O2 egale deci sunt la fel de active fotocatalitic

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 32: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

32

Icircn finalul tezei sunt sintetizate principalele Concluzii ce se desprind

din capitolele 2 ndash 5

Icircn cadrul tezei de doctorat am realizat pe cale electrolitică filme

nanocompozit din sistemul Co-TiO2 icircn matrice metalică de Co şi am

studiat caracteristicile lor magnetice şi de magnetotransport (pentru

prima dată icircn literatura de specialitate)

Pentru a stabili condițiile optime de preparare au fost obţinute prin

electrodepunere pe suport de cupru opt serii de probe conţinacircnd minim trei

probe la care au fost modificaţi următorii parametri concentraţia de TiO2

din soluţia electrolitică cTiO2 tensiunea de depunere aplicată la sursă Usursă

grosimea stratului depus d viteza de agitare a soluţiei electrolitice v şi

densitatea de curent aplicată icircn timpul electrodepunerii J

Studiile realizate prin metoda voltametriei ciclice (curbele J = f(Uref)) şi

prin metoda cronoamperometrică ne-au permis să stabilim parametrii

optimi pentru electrodepunerea straturilor și au arătat că procesul de

nucleaţie a filmelor este de tip progresiv (conform mecanismului Volmer-

Weber)

Icircn urma analizelor de microstructură morfologie și compoziție realizate

prin difractometrie de radiaţii X (XRD) microscopie electronică de

scanare (SEM-EDAX) şi spectroscopia de fotoelectroni am constatat că s-

au obţinut filme nanocompozit de Co-TiO2 conţinacircnd icircntre 0 şi 313 at

nanoparticule de TiO2 icircnglobate icircn matrice metalică de Co (hcp)

Conform difractogramelor XRD straturile nanocompozit se formează

icircn matricea hcp Co iar creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2

icircn stratul nanocompozit determină creşterea dimensiunii medii a

cristalitelor de Co

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 33: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

33

Conform experimentelor de microscopie electronică cantitatea de

oxigen prezentă icircn strat scade pe măsură ce creşte conţinutul de TiO2 icircn

strat ceea ce ar putea constitui o indicaţie privind faptul că straturile

nanocompozit au o rezistenţă mai bună la coroziune şi la oxidare

comparativ cu cele de Co

Morfologia probelor studiate depinde de parametrul de lucru care a fost

variat astfel probele care conţin o cantitate mai mare de nanoparticule

de TiO2 prezintă clustere tridimensionale formate prin aglomerarea de

particule şi icircnglobarea lor icircn matricea de Co

Rezultatele obţinute prin XPS au arătat că elementul Co este prezent la

suprafaţa stratului icircn stare metalică avacircnd starea de oxidare +2

suprafaţa stratului este parţial acoperită cu Co(OH)2 şi au demonstrat

prezenţa TiO2 la suprafaţa stratului

Experimentele realizate pentru caracterizarea magnetică a filmelor

nanocompozit au arătat următoarele

Magnetizaţia de saturație magnetizaţia remanentă şi susceptibilitatea

magnetică χc depind de conţinutul de nanoparticule de TiO2 din stratul

depus şi anume scad odată cu creșterea acestuia Acest comportament

magnetic se poate datora includerii icircn stratul depus a unei cantităţi mai

mari de material nemagnetic (TiO2 + Co(OH)2)

Creşterea conţinutului de nanoparticule de TiO2 icircn strat determină

scăderea constantei de anizotropie şi modifică direcţia axei de uşoară

magnetizare faţă de planul stratului favorizacircnd formarea structurilor

nanocompozit cu axa de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul

stratului mai ales icircn straturile cu grosime mică (007 μm şi 021 μm)

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 34: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

34

Din cercetările privind influenţa parametrilor de depunere asupra

proprietăţilor de transport ale straturilor subţiri de Co şi Co-TiO2

constatăm următoarele

Rezistenţa electrică şi magnetorezistenţa cresc odată cu creşterea

conţinutului de material nemagnetic (TiO2 +Co(OH)2) icircn stratul

nanocompozit

Cele mai mari valori pentru MR (de pacircnă la 2077 ) se obţin pentru

probele depuse icircn următoarele condiţii a) tensiunea de electrodepunere

de 400 V b) concentraţia de nanoparticule de TiO2 din soluţia

electrolitică icircn jur de 35 gL c) grosimea stratului depus sub 020 μm

şi d) viteza de agitare a soluţiei electrolitice de 300 rotmin aparţinacircnd

seriilor de probe B F şi respectiv G Astfel de probe nanocompozit Co-

TiO2 ar putea fi adecvate pentru obţinerea unor aplicaţii tehnologice

Din datele obţinute cu privire la studiul influenţei tratamentului termic

(realizat la 400degC timp de 30 min) asupra proprietăţilor structurale

morfologice magnetice şi de magnetotransport ale straturilor subţiri de Co

şi de Co-TiO2 concluzionăm că

După realizarea tratamentului termic dimensiunea medie a cristalitelor

de Co creşte şi suprafaţa stratului depus este acoperită cu o peliculă de

oxid de cobalt ca urmare a formării CoO la suprafaţa grăunţilor de Co

Tratamentul termic determină scăderea magnetizaţiei de saturaţie a

susceptibilităţii magnetice χc a constantei de anizotropie magnetică Kef

şi modificarea unghiului dintre direcţia axei de uşoară magnetizare şi

planul stratului fiind defavorizată formarea anizotropiei perpendiculare

icircn cazul probelor care conţin TiO2

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 35: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

35

Rezistenţa si magnetorezistenţa probelor cresc după realizarea

tratamentului termic

Rezultatele experimentale privind influenţa radiaţiei UV asupra

proprietăţilor magnetice şi de transport ale filmelor de Co şi Co-TiO2

studiate au arătat următoarele

Proprietătile magnetice ale probelor studiate (Ms MrHc χc) se

modifică după iradierea cu radiaţie UV rezultat pe care icircl putem

interpreta ca fiind datorat proceselor de inversare a magnetizaţiei prin

fototunelare

Datorită acelorași procese valorile rezistenţei electrice și ale

magnetorezistenței filmelor analizate sunt mai mici la lumină faţă de

valorile icircnregistrate la icircntuneric (RL lt RD)

Din experimentele realizate pentru studiul proceselor fotoelectrochimice

se poate deduce că straturile nanocompozit depuse din soluţia

electrolitică cu concentraţia de nanoparticule TiO2 de 35 gL pot fi

considerate mai active ca fotocatalist icircn condiţii de icircntuneric ceea ar

putea fi un avantaj din punct de vedere al unor aplicaţii tehnologice (efect

de depoluare şi de auto-curăţare a suprafeţelor cu un consum redus de

energie) Icircn acelaşi timp aceste straturi nanocompozit (care conţin 12 at

Ti cu grosimea de 30 m) prezintă şi efect magnetorezistiv icircnsemnat (27

la icircntuneric şi 10 la lumină) icircn condiţiile icircn care stratul prezintă axa

de uşoară magnetizare perpendiculară pe planul stratului

Bibliografie selectivă

1 R Roy R A Roy D M Roy Mater Lett 4 (1986) 323-328

2 P H C Camargo K G Satyanarayana F Wypych Materials Research 12 (2009)

1-39

3 Y Matsumoto M Murakami T Shono T et al Science 291 (2001) 854-856

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 36: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

36

4 A Punnoose M S Seehra W K Park J S Moodera J Appl Phys 93 ( 2003)

7867-7869

5 S Ito T Deguchi K Imai M Iwasaki H Tada Electrochem Solid-State Lett 2

(1999) 440-442

6 T Deguchi K Imai H Matsui M Iwasaki H Tada S Ito J Mater Sci 36 (2001)

4723-4729

7 B F Levin J N Dupont A R Marder Wear Mater 238 (2000) 160-167

8 K H Hou M D Ger L M Wang S T Ke Wear 253 (2002) 994-1003

9 S Sanjabi A Shirani Mater Corros 62 (2011) 9999

DOI101002maco201106087

10 M Poiana M Dobromir A V Sandu V Georgescu J Supercond Nov Magn

(2012) DOI 101007s10948-012-1612-3

11 Cullity BD Elements of X-ray diffraction 2nd edn Addison-Wesley (1978) 284

12 K Ishikawa K Yoshikawa N Okada Phys Rev B 37 (1988) 5852-5856

13 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V Georgescu

Optoelectron Adv Mater ndash Rapid Commun 6 (2012) p 434 ndash 440

14 N Guglielmi J Electrochem Soc 119 (1972) 1009-1012

15 Moulder JF et al Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Physical

Electronics Eden Prairie (1995)

16 B S Jeong Y W Heo D P Norton J G Kelly R Rairigh A F Hebard J D

Budai Y D Park Appl Phys Lett 84 (2004) 2608 - 2610

17 J Yang H Liu W N Martens R L Frost J Phys Chem C 114 (2010) 111ndash

119

18 Muilenberg G E Handbook of X-Ray Photoelectron Spectroscopy Perkin-Elmer

Eden Prairie (1979)

19 C N R Rao D DSarma S Vasudevan M Hegde Study of Transition Metal

Oxides by Photoelectron Spectroscopy Proc R Soc London A 367 (1979) 239ndash252

20 R Sanjineacutes H Tang H Berger F Gozzo G Margaritondo F Leacutevy J Appl

Phys 75 (1994) 2945 - 2951

21 WH Meiklejohn J Appl Phys Suppl 33 (1962) 1328 ndash 1335

22 AE Berkowitz Kentaro Takano J Magn Magn Mater 200 (1999) 552 - 570

23 H Munekata J Supercond Nov Magn 14 (2001) 205 - 210

24 A Oiwa T Slupinski and H Munekata Appl Phys Lett 78 (2001) 518 - 520

25 R Amadelli L Samiolo A Maldotti A Molinari M Valigi D Gazzoli

Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2008

doi1011552008853753

26 J Premkumar R Ramaraj J Mol Catal A Chem 132 (1998) 21ndash32

27 R S Drago Coord Chem Rev 117 (1992) 185ndash213

28 S Leonard P M Gannett Y Rojanasakul et al J of Inorg Biochem 70 (1998)

239ndash244

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 37: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

37

LISTA LUCRĂRILOR ŞTIINŢIFICE ELABORATE PE DURATA

STUDIILOR DE DOCTORAT

Lucrări ştiinţifice publicate icircn reviste cotate icircn Thomson Reuters (ISI) Web of

Knowledge

1 M Poiană L Vlad P Pascariu A V Sandu V Nica V GeorgescU Effects of

current density on morphology and magnetic properties of Co-TiO2 electrodeposited

nanocomposite films Optoelectronics and Advanced Materials ndash Rapid

Communications 6 (2012) p 434 ndash 440

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0112 20110052

2 M Poiana M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Investigation of

Structural Magnetic and Magnetotransport Properties of Electrodeposited Co-TiO2

Nanocomposite Films Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012)

DOI 101007s10948-012-1612-3

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0311 20110237

3 M Poiana M Dobromir V Nica I Sandu and V Georgescu Microstructure

magnetic and electronic transport properties of Co-TiO2 nanocomposite films in

metal matrix Journal of Physics D Applied Physics (submitted)

Scor de influență (absolut) al revistei 2010 0905 20110898

Lucrări prezentate la conferinţe internaţionale și naționale

1 M Poiană M Dobromir A V Sandu and V Georgescu Research on

electrodeposited Co-TiO2 nanocomposites thin films European Exhibition of

Creativity and Innovation 12-14 Mai 2011 Iasi Romania p 139 ISBN

978‐973‐702‐851‐8 (diploma de excelenţă)

2 M Poiană M Dobromir V Nica AV Sandu şi V Georgescu Preparation and

functional properties of Co-TiO2 nanocomposite thin films European Exhibition of

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26

Page 38: CERCETĂRI PRIVIND MATERIALE · Doresc să îmi exprim profunda recunoştinţă faţă de doamna prof. univ. dr. Violeta Georgescu, conducătorul știinţific al tezei, pentru atenţia

38

Creativity and Innovation 10-12 Mai 2012 Iasi Romania p 181 ISBN 978-973-703-

759-6

3 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir and V Georgescu Magnetic

properties and preparation of Co-TiO2 nanocomposite thin films ldquoInstitute of

Electrical and Electronics Engineers - Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie)rdquo Iaşi P64

4 L Vlad P Pascariu SI Tanase D Pinzaru M Dobromir M Poiană and V

Georgescu Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of Zn-Co

Alloys Prepared by Electrochemical Deposition Institute of Electrical and Electronics

Engineers Meeting - IEEE-2010 (7 ndash 8 iunie) Iaşi P61

5 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Electrodeposition and characterization of Co-TiO2 nanocomposite thin films

Conferinţa Naţională de Fizică-CNF-2010 Iaşi P49

6 M Poiană P Pascariu L Vlad M Dobromir V Nica and V Georgescu

Magnetic properties and electrodeposition parameters of Co-TiO2nanocomposite

thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific Meeting 2010 P27

7 L Vlad P Pascariu M Poiană M Dobromir and V Georgescu Structure and

magnetic properties of ZnCo alloys thin films Iasi IEEE Student Branch Scientific

Meeting 2010 P26