Nanoestruturas de cobalto eletrodepositadas sobre grafeno CVD: crescimento e caracterização in e ex-situ

Abstract

Neste estudo, foram realizados eletrodepósitos potenciostáticos de cobalto sobre o grafeno CVD/SiO2/Si em diferentes intervalos de tempo, utilizando-se uma solução aquosa 5mM de CoSO4 com pH ≈ 3,5±0,1, num potencial de deposição de -1,06V. Durante as eletrodeposições, análises magnéticas in-situ das amostras foram realizadas, utilizando-se um magnetômetro de gradiente de força alternado (AGFM) com uma célula de eletrodeposição acoplada entre os seus polos. Os resultados das análises magnéticas in-situ indicaram que os eletrodepósitos de cobalto ocorridos em intervalos de tempo inferiores a 20 segundos, aproximadamente, apresentavam comportamento antiferromagnético, enquanto que os eletrodepósitos ocorridos em intervalos de tempo acima dos 20 segundos, apresentavam comportamento ferromagnético. Para se verificar os possíveis motivos da mudança de comportamento antiferromagnético das amostras produzidas in-situ, realizou-se uma análise do sinal elétrico proporcional à magnetização do cobalto eletrodepositado em função do tempo de deposição, adquirida em tempo real. O resultado indicou a formação de um “platô” na medida da magnetização entre 2 e 28 segundos, enquanto que após este tempo, o sinal da magnetização apresentava um comportamento praticamente linear de aumento com o aumento no tempo de depósito, indicando, claramente, a presença de dois materiais magnéticos diferentes, um à base de cobalto oxidado (Co2O3, verificado por XPS) – antiferromagnético – e outro à base de cobalto metálico – ferromagnético. Os estudos realizados indicaram que a oxidação dos primeiros depósitos de cobalto sobre o grafeno, que ocorrem sob a forma de nanopartículas, advém da interação destas nanopartículas com o oxigênio presente previamente na superfície do grafeno CVD. Caracterizações morfológicas e elétricas ex-situ, por SPM, foram realizadas em algumas amostras cobalto/grafeno CVD/Si/SiO2 (tDEP = 10, 20, 30 e 100s). Estas caracterizações indicaram que as amostras produzidas em 10 e 20s apresentavam crescimento de nanopartículas de cobalto preferencialmente nas rugosidades e em regiões próximas a defeitos estruturais do grafeno CVD, enquanto que para os depósitos mais longos, pode-se perceber um crescimento de cobalto sobre a superfície do grafeno CVD de maneira não-homogênea e, posteriormente, algumas regiões com saliências de material magnético mais elevadas do que outras.

In this study, cobalt was electrodeposited onto CVD graphene/SiO2/Si substrates during different time intervals, at VDEP = -1,06V, using an electrolyte solution contained a low concentration of cobalt sulfate (5mM CoSO4) with pH = 3.5 ± 0.1. During and after electrodeposition, in-situ magnetic measurements were performed using an Alternating Gradient Force Magnetometer (AGFM) with an electrodeposition cell coupled between its poles. The in-situ magnetic analysis results indicated that the cobalt electrodeposits occurred at time intervals below 20 seconds showed antiferromagnetic behavior, while the cobalt electrodeposits occurred at time intervals above 20 seconds showed ferromagnetic behavior. In order to check the possible reasons for the antiferromagnetic change behavior of the samples produced by in- situ electrodeposition, a magnetization versus cobalt deposition time analysis was acquired in real time. The results indicated a step formation at magnetization measurement between 2 and 28 seconds, whereas after 28s, the magnetization signal showed a linear increasing with the deposit time increase, clearly indicating the presence of two different kind of magnetic materials, cobalt oxide (Co2O3, verified by XPS) – antiferromagnetic – and metallic cobalt – ferromagnetic. The studies showed that the oxidation of first cobalt deposits onto CVD graphene, which occur at nanoparticles form, arises from the interaction of these nanoparticles with oxygen present on the CVD graphene surface. Some ex-situ morphological and electrical characterizations were performed in some cobalt/CVD graphene/SiO2/Si samples (tDEP = 10, 20, 30 and 100s) by SPM. The morphological/electrical analysis of cobalt electrodeposits on CVD graphene/SiO2/Si indicated that the magnetic material deposits occur preferentially on wrinkles and grain boundaries. For longer deposits, we can see a non-homogeneous cobalt growth and thereafter some regions with higher cobalt protrusions than others.