Hydrothermal growth and gas sensing property of flower-shaped SnS2 nanostructures

Unusual 3D flower-shaped SnS2 nanostructures have been synthesized using a mild hydrothermal treatment in the presence of octyl-phenol-ethoxylate ( Triton X-100) at 160 degrees C. The nanostructures have an average size of 1 mu m, and consist of interconnected nanosheets with thicknesses of about 40 nm. Based on time-dependent experimental results, we ascribe the oriented attachment mechanism to the growth of the SnS2 nanostructures. The nonionic surfactant Triton X-100 plays a key role in the formation of the flower-like morphology. Room temperature gas-sensing measurements show that the 3D SnS2 nanostructures could serve as sensor materials for the detection of NH3 molecules.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Morphology and Blue Photoluminescence Emission of PbMoO(4) Processed in Conventional Hydrothermal

PbMoO(4) micro-octahedrons were prepared by the coprecipitation method at room temperature without the presence of surfactants and processed in a conventional hydrothermal at different temperatures (from 60 to 120 degrees C) for 10 min. These micro-octahedrons were structurally characterized by X-ray diffraction (XRD) and micro-Raman (MR) spectroscopy, and its morphology was investigated by field-emission gun scanning electron microscopy (FEG-SEM). The optical properties were analyzed by ultraviolet-visible (UV-vis) absorption spectroscopy and photoluminescence (PL) measurements. XRD patterns and MR spectra confirmed that the PbMoO(4) micro-octahedrons are characterized by a scheelite-type tetragonal structure. FEG-SEM micrographs points, out that these structures present a polydisperse particle size distribution in consequence of a predominant growth mechanism via aggregation of particles. In addition, it was observed that the hydrothermal conditions favored a spontaneous formation of micro-octahedrons interconnected along a common crystallographic orientation (oriented-attachment), resulting in self-organized structures. An intense blue PL emission at room temperature was observed in these micro-octahedrons when they were excited with a 350 nm wavelength. The origin of the PL emissions as well as its intensity variations are explained by means of a model based on both distorted [MoO(4)] and [PbO(8)] clusters into the lattice.

Hierarchical Assembly of CaMoO(4) Nano-Octahedrons and Their Photoluminescence Properties

Hierarchical assemblies of CaMoO4 (CM) nano-octahedrons were obtained by microwave-assisted hydrothemial synthesis at 120 degrees C for different times. These structures were structurally, morphologically and optically characterized by X-ray diffraction, micro-Raman spectroscopy, field-emission gun scanning electron microscopy, ultraviolet-visible absorption spectroscopy and photoluminescence measurements. First-principle calculations have been carried out to understand the structural and electronic order-disorder effects as a function of the particle/region size. Supercells of different dimensions were constructed to simulate the geometric distortions along both they and z planes of the scheelite structure. Based on these experimental results and with the help of detailed structural simulations, we were able to model the nature of the order-disorder in this important class of materials and discuss the consequent implications on its physical properties, in particular, the photoluminescence properties of CM nanocrystals.

Morphology and Blue Photoluminescence Emission of PbMoO4 Processed in Conventional Hydrothermal

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Gadolinium-doped cerium oxide nanorods: novel active catalysts for ethanol reforming

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Quantum Mechanics Insight into the Microwave Nucleation of SrTiO3 Nanospheres

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Growth kinetics of tin oxide nanocrystals in colloidal suspensions under hydrothermal conditions

Colloidal suspensions of tin oxide nanocrystals were synthesized at room temperature by the hydrolysis reaction of tin chloride (II), in an ethanolic solution. The coarsening kinetics of such nanocrystals was studied by submitting the as-prepared suspensions to hydrothermal treatments at temperatures of 100, 150 and 200 degrees C for periods between 60 and 12,000 min. Transmission electron microscopy (TEM) was used to characterize the samples (i.e. distribution of nanocrystal size, average particle radius and morphology). The results show that the usual Ostwald ripening coarsening mechanism does not fit well the experimental data, which is an indicative that this process is not significant for SnO2 nanocrystals, in the studied experimental conditions. The morphology evolution of the nanocrystals upon hydrothermal treatment indicates that growth by oriented attachment (OA) should be significant. A kinetic model that describes OA growth is successfully applied to fit the data. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Study of synthesis variables in the nanocrystal growth behavior of tin oxide processed by controlled hydrolysis

Tin dioxide nanoparticle suspensions were synthesized at room temperature by the hydrolysis reaction of tin chloride (II) dissolved in ethanol. The effect of the initial tin (II) ion concentration, in the ethanolic solution, on the mean particle size of the nanoparticles was studied. The Sn2+ concentration was varied from 0.0025 to 0.1 M, and all other synthesis parameters were kept fixed. Moreover, an investigation of the effect of agglomeration on the nanoparticle characteristics (i.e., size and morphology) was also done by modifying the pH of the SnO2 suspensions. The different samples were characterized by transmission electron microscopy, optical absorption spectroscopy in the ultraviolet range, and photoluminescence measurements. The results show that higher initial ion concentrations and agglomeration lead to larger nanoparticles. The concentration effect is explained by enhanced growth due to a higher supersaturation of the liquid medium. However, it was observed that the agglomeration of the nanoparticles in suspension induce coarsening by the oriented-attachment mechanism.

Anisotropic growth of oxide nanocrystals: Insights into the rutile TiO2 phase

In this work, we report the synthesis of titanium oxide nanocrystals, especially the rutile TiO2 phase with nanorod morphology, by a method based on peroxotitanium complex decomposition. The results indicate that the anisotropic morphology reported for rutile TiO2 nanocrystals is related to the oriented attachment process. Despite the predominance of rutile nanocrystals at longer treatment times, the nanocrystals were obtained also in the anatase type, according to the degradation time adopted. XANES results evidenced the absence of structural correlation between the peroxytitanium complex and phase evolution, and the coexistence of the two phases strongly suggests a correlation of the oriented attachment mechanism and the rutile phase stabilization.

Effect of partial preferential orientation and distortions in octahedral clusters on the photoluminescence properties of FeWO4 nanocrystals

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Estudo da relação de ordem-desordem estrutural em nanopartículas de TiO2

Pós-graduação em Química - IQ

Relationship between Crystal Shape, Photoluminescence, and Local Structure in SrTiO3 Synthesized by Microwave-Assisted Hydrothermal Method

This paper describes the effect of using different titanium precursors on the synthesis and physical properties of SrTiO3 powders obtained by microwave-assisted hydrothermal method. X-ray diffraction measurements, X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy, field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) were carried out to investigate the structural and optical properties of the SrTiO3 spherical and cubelike-shaped particles. The appropriate choice of the titanium precursor allowed the control of morphological and photoluminescence (PL) properties of SrTiO3 compound. The PL emission was more intense in SrTiO3 samples composed of spherelike particles. This behavior was attributed to the existence of a lower amount of defects due to the uniformity of the spherical particles.

Effect of partial preferential orientation and distortions in octahedral clusters on the photoluminescence properties of FeWO4 nanocrystals

This communication is a report of our initial research to obtain iron tungstate (FeWO4) nanocrystals by the microwave-hydrothermal method at 170 degrees C for 45 min. X-ray diffraction patterns showed that the FeWO4 nanocrystals prepared with polyethylene glycol-200 have a partial preferential orientation in the (011) plane in relation to other nanocrystals prepared with sodium bis(2-ethylhexyl) sulfosuccinate and water. Rietveld refinement data indicates that all nanocrystals are monophasic with wolframite-type monoclinic structures and exhibit different distortions on octahedral [FeO6]/[WO6] clusters. High resolution transmission electron microcopy revealed an oriented attachment mechanism for the growth of aggregated FeWO4 nanocrystals. Finally, we observed that the photoluminescence properties of these nanocrystals are affected by partial preferential orientation in the (011) plane and distortions on [FeO6]/[WO6] clusters.

Quantum Mechanics Insight into the Microwave Nucleation of SrTiO3 Nanospheres

An extensive investigation of strontium titanate, SrTiO3 (STO), nanospheres synthesized via a microwave-assisted hydrothermal (MAH) method has been conducted to gain a better insight into thermodynamic, kinetic, and reaction phenomena involved in STO nucleation and crystal growth processes. To this end, quantum chemical modeling based on the density functional theory and periodic super cell models were done. Several experimental techniques were employed to get a deep characterization of structural and optical features of STO nanospheres. A possible formation mechanism was proposed, based on dehydration of titanium and strontium clusters followed by mesoscale transformation and a self-assembly process along an oriented attachment mechanism resulting in spherical like shape. Raman and XANES analysis renders a noncentrosymmetric environment for the octahedral titanium, while infrared and first order Raman modes reveal OH groups which are unsystematically incorporated into uncoordinated superficial sites. These results seem to indicate that the key component is the presence of distorted TiO6 clusters to engender a luminescence property. Analysis of band structure, density Of states, and charge map shows that there is a close relationship among local broken symmetry, polarization, and energy split of the 3d orbitals of titanium. The interplay among these electronic and structural features provides necessary conditions to evaluate its luminescent properties under two energy excitation.