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Type: Tese
Title: Influência da composição química do óxido de grafeno nas propriedades de detecção de sensores de umidade
Author: Vicentini, Nayton Claudinei
First Advisor: Quirino, Welber Gianini
Referee Member: Cremona, Marco
Referee Member: Bechtold, Ivan Helmuth
Referee Member: Maciel, Indhira Oliveira
Referee Member: Legnani, Cristiano
Resumo: O óxido de grafeno (GO), um nanomaterial de carbono bidimensional com estrutura altamente funcionalizada e defeituosa, tem despertado grande interesse para o desenvolvimento de sensores de umidade relativa (RH) em razão da presença abundante de grupos oxigenados (OFGs) em sua estrutura. As características do GO como o grau de oxidação, o tamanho dos flocos, os defeitos no plano basal e a composição química influenciam diretamente nas suas propriedades de deteção. Neste estudo, foram analisados sensores resistivos de RH fabricados com três variações de GO (GO-I, GO-II e GO-III), obtidas por diferentes modificações do método de Hummers, resultando em distintas distribuições de grupos funcionais e níveis de desordem estrutural. As amostras de GO foram amplamente caracterizadas por técnicas espectroscópicas (UV-Vis, FTIR, Raman, XPS), morfológicas (MEV e AFM), estruturais (DRX) e elétricas, permitindo a correlação entre estrutura, OFGs e desempenho sensorial. Os dispositivos foram fabricados por deposição de suspensões de GO sobre eletrodos interdigitados (IDEs) de alumínio termicamente evaporados sobre substratos de vidro. Entre os sensores analisados, o dispositivo baseado em GO-II apresentou o melhor desempenho, com sensibilidade de 2113 ± 2%, superando o baseado em GO-I (1592 ± 1%) e GO-III (388,1 ± 0,1%). Todos os sensores demonstraram tempos de resposta e recuperação rápidos, na ordem de 2 e 3 segundos, respectivamente. Os resultados indicam que a elevada concentração de OFGs altamente polares, como grupos carbonila e hidroxila, juntamente com defeitos estruturais permanentes no GO-II, foi determinante para a melhora significativa na resposta à umidade. Além disso, os sensores podem operar com baixa tensão (0,1 V) e apresentam elevada linearidade (>95), evidenciando seu potencial para aplicações em sistemas que demandam tanto economia de energia quanto medições precisas.
Abstract: Graphene oxide (GO), a two-dimensional carbon nanomaterial with a highly functionalized and defect-free structure, has attracted great interest for the development of relative humidity (RH) sensors due to the abundant presence of oxygenated groups (OFGs) in its structure. GO characteristics, such as degree of oxidation, flake size, basal plane defects, and chemical composition, directly influence its sensing properties. In this study, resistive RH sensors fabricated with three GO variations (GO-I, GO-II, and GO-III) were analyzed. These sensors were obtained by different modifications of the Hummers method, resulting in distinct functional group distributions and levels of structural disorder. The GO samples were extensively characterized by spectroscopic (UV-Vis, FTIR, Raman, XPS), morphological (SEM and AFM), structural (XRD), and electrical techniques, allowing the correlation between structure, OFGs, and sensory performance. The devices were fabricated by depositing GO suspensions onto thermally evaporated aluminum interdigitated electrodes (IDEs) on glass substrates. Among the sensors analyzed, the GOII-based device showed the best performance, with a sensitivity of 2113 ± 2%, surpassing that based on GO-I (1592 ± 1%) and GO-III (388.1 ± 0.1%). All sensors demonstrated fast response and recovery times, on the order of 2 and 3 seconds, respectively. The results indicate that the high concentration of highly polar OFGs, such as carbonyl and hydroxyl groups, together with permanent structural defects in GO-II, was decisive for the significant improvement in the humidity response. Furthermore, the sensors can operate at low voltage (0.1 V) and exhibit high linearity (>95), highlighting their potential for applications in systems that demand both energy savings and accurate measurements.
Keywords: Óxido de grafeno
Grupos funcionais oxigenados
Mecanismo de grotthuss
Condutividade protônica
Sensor de umidade
Graphene oxide
Oxygenated functional groups
Grotthuss mechanism
Proton conductivity
Humidity sensor
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20106
Issue Date: 12-Dec-2025
Appears in Collections:Doutorado em Física (Teses)



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