Resumen de Study of the growth and interaction of cobalt oxides on graphite and oxides surfaces
El estudio de los óxidos de metales de transición es uno de los campos más amplios y diversos de la ciencia de materiales, dando lugar a materiales con todo el rango posible de propiedades y aplicaciones en todo tipo de sectores industriales. Este interés no sólo está centrado en óxidos complejos y desarrollados recientemente, sino que también abarca a óxidos más conocidos a lo largo de la historia y considerados "sencillos", como NiO, FeOx, o los óxidos de cobalto. Estos últimos tienen aplicaciones muy importantes en catálisis, dispositivos magnéticos que hagan uso del fenómeno de la magnetorresistencia gigante, e incluso se han empezado a aplicar recientemente en el desarrollo de supercapacitores. Pero, incluso con tal volumen de aplicaciones, no existen a día de hoy muchos estudios sistemáticos de los primeros estadios del crecimiento de óxidos de cobalto sobre substratos. Existe un pequeño volumen de trabajo hecho con substratos metálicos, pero el trabajo hecho usando substratos de otros óxidos o grafito es casi inexistente. Aprovechando la experiencia del grupo GRIN del departamento de Física Aplicada de la Universidad Autónoma de Madrid en este tipo de sistemas, y observando la falta de estudios de las intercaras antes mencionadas, este proyecto fue iniciado como un estudio sistemático del crecimiento de óxidos de cobalto sobre tres substratos de óxidos con propiedades cristalográficas y electrónicas muy diferentes (SiO2, Al2O3 y MgO) y substratos de HOPG (grafito pirolítico altamente orientado), de manera que se pudiera estudiar cómo afectan las propiedades del substrato a las propiedades morfológicas, electrónicas y estructurales de las capas de óxidos de cobalto. Además del estudio del crecimiento, la estabilidad de estas muestras fue probada mediante la aplicación de procesos de oxidación térmica de estas muestras, con el fin de probar su aplicación en entornos más agresivos.
El estudio del las especies obtenidas en las etapas iniciales, medias y finales del crecimiento de óxidos de cobalto sobre estos sustratos han dado resultados similares para todos los experimentos: CoO para recubrimientos por debajo de 40 ML (monocapas equivalentes), y Co3O4 para recubrimientos por encima de este. El estudio de la morfología de los crecimientos ha revelado distintos modos de crecimiento relacionados con las diferencias de estructura criistalina de sustrato y CoO: tipo islas en el crecimiento sobre SiO2 (el sustrato con mayor diferencia de parámetro de red con respecto al CoO), tipo capa a capa en los crecimientos sobre MgO y Al2O3 (menos diferencia de parámetro de red), y un modelo de crecimiento intermedio (tipo Stranski-Krastanov) para el crecimiento sobre HOPG, con acumulación de material en escalones, crecimiento de una capa mojante de oxido en las terrazas del sustrato, sobre la cuál crecen islas, y estructuras dendríticas decorando el material en los escalones y en las islas.
El estudio de las diversas intercaras producidas en estos crecimientos ha sido realizado mediante ajustes de los espectros XPS de la región del Co 2p, los cuáles son muy sensibles a pequeños cambios en la estructura electrónica debidos a pérdidas de covalencia, baja dimensionalidad de las capas, o variación en el número de primeros vecinos. Se han observado efectos de tamaño en todos los crecimientos para capas por debajo de las 5 ML, y cambios en el carácter iónico covalente de las capas, los cuáles han sidoo relacionados exclusivamente con la morfología de dichas capas. Esto supone un resultado extremadamente interesante, dado que experimentos similares de estudio de otros óxidos de metales de transición depositados sobre estos mismos sustratos (como NiO o TiO2) habían revelado una influencia directa de la estructura electrónica de los sustratos en la covalencia de las capas crecidas sobre ellos, algo que en estos experimentos no se ha observado en ningún momento.
Finalmente, se ha estudiado la estabilidad de estas muestras ante exposición a periodos largos de presión y temperatura ambiente, y después de sufrir procesos de oxidación térmica en condiciones controladas. Todas las muestras sufren modificaciones (crecimieto de hidróxido de cobalto, formación de óxidos binarios en la intercara, o crecimiento de Co3O4) debido a la acción de la atmósfera, excepto las muestras crecidas sobre MgO, cuyo estado de oxidación permanece como CoO, haciendo de este el sustrato más adecuado para crecer muestras estables de CoO. La aplicación de un proceso de oxidación térmica a las muestras crecidas sobre HOPG, consistente en un calentamiento en condiciones de UHV y una posterior exposición a O2, ha revelado un novedoso método de nanomarcado de superficies de grafito. Este método reduce en 200 ºC la temperatura observada en experimentos similares realizados durante los últimos 30 años, los cuáles usaban como punto de partida nanopartículas metálicas sometidas a calentamientos y flujos de gases oxidantes o reductores. Se han estudiado las condiciones mínimas para la obtención de estos canales con nuestro proceso, confirmándose dicha eficiencia, y se han aportado dos evidencias experimentales como una hipótesis preliminar acerca del orígen de esta elevada eficiencia.
