La pulvimetalurgia como técnica perfecta para la preparación de Cu

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 7034 (2023) Citar este artículo

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La metalurgia de polvos (PM) es una técnica que implica la fabricación de polvos metálicos y su consolidación en productos o componentes terminados. Este proceso implica la mezcla de polvos metálicos con otros materiales como cerámica o polímeros, seguido de la aplicación de calor y presión para producir un material sólido y denso. El uso de PM tiene varias ventajas sobre las técnicas de fabricación tradicionales, incluida la capacidad de crear formas complejas y la producción de materiales con propiedades mejoradas. Los materiales compuestos de Cu-TiO2 son de gran interés debido a sus propiedades únicas, como alta conductividad eléctrica, resistencia mecánica mejorada y actividad catalítica mejorada. La síntesis de compuestos de Cu-TiO2 mediante la técnica PM ha ido ganando popularidad en los últimos años debido a su simplicidad, rentabilidad y capacidad para producir materiales con excelente homogeneidad. La novedad de utilizar la técnica PM para la preparación de composites Cu-TiO2 radica en que permite la producción de materiales con microestructuras y propiedades ópticas controladas. La microestructura del compuesto se puede ajustar controlando el tamaño de las partículas y la distribución de los polvos de partida, así como los parámetros de procesamiento como la temperatura, la presión y el tiempo de sinterización. Las propiedades ópticas del compuesto también se pueden adaptar ajustando el tamaño y la distribución de las partículas de TiO2, que se pueden utilizar para controlar la absorción y dispersión de la luz. Esto hace que los compuestos de Cu-TiO2 sean particularmente útiles para aplicaciones como la fotocatálisis y la conversión de energía solar. En resumen, el uso de pulvimetalurgia para la preparación de compuestos de Cu-TiO2 es una técnica novedosa y eficaz para producir materiales con microestructuras y propiedades ópticas controladas. Las propiedades únicas de los compuestos de Cu-TiO2 los hacen atractivos para una amplia gama de aplicaciones en diversos campos, incluidos la energía, la catálisis y la electrónica.

La pulvimetalurgia es una técnica versátil y ampliamente utilizada para producir materiales compuestos. En los últimos años, la preparación de compuestos de Cu-TiO2 mediante pulvimetalurgia ha ganado una atención significativa debido a sus posibles aplicaciones en diversos campos, como la industria aeroespacial, eléctrica y biomédica. Las principales ventajas de utilizar esta técnica para la preparación de compuestos de Cu-TiO2 incluyen su capacidad para controlar la microestructura del compuesto, su bajo costo y su alta eficiencia. En este ensayo, discutiremos el valor innovador y de investigación de la metalurgia de polvos como una técnica perfecta para la preparación de compuestos de Cu-TiO2 mediante la identificación de su microestructura y propiedades ópticas2.

El primer aspecto innovador de la pulvimetalurgia es su capacidad para controlar la microestructura del material compuesto3. La pulvimetalurgia implica la mezcla de polvos metálicos con partículas cerámicas, que luego se compactan y sinterizan para producir el compuesto final. El proceso permite el control preciso del tamaño de partícula, la distribución y la orientación de las partículas cerámicas en la matriz metálica4. Esto permite la optimización de las propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas del material compuesto. En el caso del compuesto Cu-TiO2, la microestructura del compuesto se puede adaptar para lograr propiedades deseables como alta dureza, alta resistencia al desgaste y buena conductividad eléctrica5.

El segundo aspecto innovador de la pulvimetalurgia es su bajo coste. En comparación con otras técnicas como la fundición o la forja, la pulvimetalurgia es un método más rentable para producir materiales compuestos6. Esto se debe a que el proceso permite el uso eficiente de las materias primas, con un mínimo desperdicio. Además, la técnica está altamente automatizada, lo que reduce los costos de mano de obra y mejora la reproducibilidad del producto final7.

El tercer aspecto innovador de la pulvimetalurgia es su alta eficiencia. La técnica permite la producción de formas y geometrías complejas, lo que no es posible con otros métodos como la fundición o la forja8. Esto se debe a que el proceso implica el uso de moldes y matrices, que pueden diseñarse fácilmente para producir formas complejas. En el caso del compuesto Cu-TiO2, la técnica se puede utilizar para producir componentes con formas y características complejas, lo que resulta útil para aplicaciones como la microelectrónica y los implantes médicos9.

La microestructura del compuesto Cu-TiO2 producido mediante pulvimetalurgia es otro aspecto importante que contribuye a su valor innovador y de investigación. La microestructura del material compuesto determina sus propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas10. En el caso del compuesto Cu-TiO2, la microestructura se puede adaptar para lograr propiedades deseables como alta dureza, resistencia al desgaste y buena conductividad eléctrica11. La microestructura del compuesto se puede analizar utilizando diversas técnicas, como la microscopía electrónica de barrido (SEM) y la difracción de rayos X (DRX).

Las propiedades ópticas del compuesto Cu-TiO2 son otro aspecto importante que contribuye a su valor innovador y de investigación12. El compuesto exhibe excelentes propiedades ópticas debido a la presencia de partículas de TiO2 en la matriz metálica. El TiO2 es un fotocatalizador bien conocido y su incorporación a la matriz metálica da como resultado un material que exhibe excelentes propiedades ópticas, como alta transparencia y excelente absorción de rayos UV13. Estas propiedades hacen que el material compuesto sea útil para aplicaciones como células solares, sensores y revestimientos ópticos14.

El valor innovador y de investigación de la pulvimetalurgia como técnica perfecta para la preparación de compuestos de Cu-TiO2 también se puede observar en sus aplicaciones en diversos campos, como las industrias aeroespacial, eléctrica y biomédica15. En la industria aeroespacial, el material compuesto se puede utilizar para producir componentes como álabes de turbinas, que requieren alta resistencia y resistencia al desgaste16. En la industria eléctrica, el material compuesto se puede utilizar para producir contactos eléctricos, que requieren buena conductividad eléctrica y resistencia al desgaste. En la industria biomédica, el material compuesto se puede utilizar para producir implantes médicos17.

El estudio tiene como objetivo mejorar la actividad fotocatalítica de las nanopartículas de cobre para diversas aplicaciones18. El cobre se considera uno de los mejores metales para usar junto con superficies de dióxido de titanio (TiO2), ya que puede aumentar significativamente la amplificación de la actividad fotocatalítica. Para lograrlo, se crearon nanocatalizadores de cobre dopados con TiO2 mediante molienda mecánica19. El estudio utilizó diferentes porcentajes en peso de dióxido de titanio y se utilizó ácido esteárico como agente de control del proceso20. Los investigadores descubrieron que los nanocompuestos en polvo de Cu-TiO2 con 10, 20, 30 y 40 por ciento en peso de dióxido de titanio exhibían una alta actividad fotocatalítica21. El estudio también mencionó el uso de TiO2 en diversos productos cotidianos, como pinturas, papeles, desprendimiento de gas hidrógeno y productos cosméticos, entre otros. Además, el artículo analiza las ventajas de utilizar dióxido de titanio como nanomaterial semiconductor en aplicaciones fotocatalíticas debido a sus óptimas características ópticas y electrónicas, resistencia a la corrosión, estabilidad química y no toxicidad22. A pesar de su amplia banda prohibida, el TiO2 es una opción popular para su uso como capa amortiguadora en células solares y puede mejorarse mediante diversas técnicas, como la creación de materiales compuestos y el dopado con átomos metálicos adecuados. El cobre es un dopante prometedor para el TiO2, ya que tiene mejor conductividad eléctrica y está más disponible y es menos costoso que otros metales como la plata23.

En este artículo, se seleccionó cobre puro como material de matriz, ya que se ha utilizado generalmente en muchas aplicaciones recientes. Se eligió dióxido de titanio como material de refuerzo para fabricar las muestras. Como matriz metálica se ha utilizado un polvo de cobre con una pureza del 99,9% (suministrado por Alpha Chemicals, USA) con un tamaño medio de partícula de 10 μm. Como refuerzo se ha utilizado polvo de TiO2 con una pureza del 99,7% (suministrado por Alpha Chemicals, USA) con un tamaño medio de 50 nm. El tamaño promedio del polvo de Cu y TiO2 en las figuras 4a y b es mucho mayor que 10 μm y 50 nm, respectivamente, mencionados en la parte de materias primas. La fuente de datos sobre el tamaño medio de partículas fue proporcionada por Alpha Chemicals, EE.UU.

Las mezclas de polvo de Cu contienen 10, 20, 30 y 40% en peso de TiO2, que se ha mezclado utilizando bolas de cerámica de circonio y se utiliza en el proceso de mezcla mecánica, en el que si se utilizan bolas de acero inoxidable se produce alguna contaminación con latas de hierro. Pero las bolas de circonio son inertes a cualquier reacción y muy duras. El molino de bolas utilizado en el proceso de preparación en la máquina de molino de bolas planetario de cuatro vails. El polvo de cobre utilizado en este trabajo es cobre semiesférico atomizado. Técnica de molino de bolas durante 24 h hasta obtener una mezcla homogénea. La Tabla 1 resume las especificaciones de la matriz y los refuerzos empleados para este estudio. Este artículo aplicó el método de pulvimetalurgia para producir el nanocompuesto híbrido Cu-TiO2 recomendado. Primero, los polvos compuestos de Cu y TiO2 se pesaron en relación con las fracciones requeridas utilizando una balanza electrónica sensible con un nivel de precisión de 0,1 mg. Luego, los polvos compuestos pesados ​​se mezclaron en un vial de acero inoxidable y se protegieron de la oxidación usando argón puro, con una relación bola de acero a polvo (BPR) de 20:1, un diámetro de bola de 5 mm y una velocidad de rotación de 250 rpm. Se utilizó ácido esteárico (1,5% en peso) como agente controlador de procesos (PCA). La Figura 1 muestra la composición y nomenclatura de las muestras preparadas.

Diagrama esquemático para la fabricación de polvos compuestos de Cu-TiO2 con un porcentaje en peso diferente de TiO2: 10, 20, 30 y 40% en peso.

Las investigaciones sobre las características microestructurales de los polvos compuestos se llevaron a cabo mediante microscopía electrónica de barrido y espectroscopia de dispersión de energía (SEM/EDS). El objetivo principal del uso de tales técnicas de análisis es identificar la dispersión uniforme de los materiales de refuerzo en la matriz, la microestructura del compuesto y las fases del compuesto. De acuerdo con esto, este artículo también aplicó la técnica de difracción de rayos X (DRX) para identificar las fases de los polvos mezclados utilizando un difractómetro con radiación Cu K-alfa y operado a 40 kV. Las muestras se examinan mediante espectroscopia IR para investigar los espectros de bandas de absorción. Además, se estudiaron las propiedades antirreflectantes.

Por otro lado, las conductividades eléctrica y térmica se evaluaron utilizando el instrumento de resistividad eléctrica PCE-COM20. La conductividad térmica se puede calcular utilizando la ecuación. (1)24.

donde K se refiere a la conductividad térmica en W/m. K, L es el número de Lorentz (para compuestos L = 2,45 × 10–8 W Ω K−2), T denota la temperatura absoluta en K y, finalmente, σ es la conductividad eléctrica en Ω−1 m−1.

Se produjeron muestras para las mediciones de conductividad eléctrica compactando los polvos molidos a una presión de 0,37 GPa a 90 °C. El diámetro de las muestras fue de 10 mm con una altura de 6 mm. La resistividad eléctrica de las muestras compactadas se midió a temperatura ambiente (50% de humedad relativa) entre electrodos de oro con un método de corriente alterna a una frecuencia de 1 kHz.

La tarea principal de XRD es determinar y examinar la composición y estructura de fases de la cristalinidad de Cu-TiO2. XRD es un método no destructivo que se utiliza ampliamente para caracterizar material cristalino. La estructura, fase, cristalinidad y tamaños de los materiales se han demostrado mediante análisis XRD. Las ecuaciones de Scherrer se utilizan para calcular el tamaño del cristal del material25.

donde d es el tamaño del cristalito, β es el ancho total de la mitad del máximo, θ es el ángulo de difracción y λ es la longitud de onda de la radiación de rayos X26.

Los patrones de difracción para diversas concentraciones de TiO2 dopado en Cu se muestran en la Fig. 2. Se observan dos fases de TiO2 tetragonal cuando se dopa con 40% de TiO2; una de estas fases es anatasa TiO2 (el pico de mayor intensidad), y la otra fase es rutilo TiO2 (el pico de menor intensidad que está adyacente al pico de mayor intensidad, que representa una cantidad muy pequeña de rutilo TiO2 ) (el polvo de TiO2 recuperado tiene las fases anatasa y rutilo). A esta cantidad tan modesta, que funciona en la fase anatasa como un defecto estructural o una impureza, se le puede atribuir una alta actividad fotocatalítica. Tras una reducción en el porcentaje de TiO2, sólo se observaron picos de difracción de anatasa en muestras que contenían diversas cantidades de TiO2. También es posible observar que la mayoría de las 2 ubicaciones de los picos del patrón de difracción primario no se mueven, teniendo valores idénticos de Cu puro, excepto por variaciones en las intensidades de estos picos. Esto es algo que se puede observar en todas las muestras (es decir, la intensidad disminuye a medida que aumenta el TiO2). Debido a que los radios de los iones Ti4+ son demasiado grandes para reemplazar los iones Cu+ en la matriz de Cu, la adición de TiO2 no produjo modificaciones significativas en la cristalinidad del material. Aparte de los picos asociados con el cobre y el dióxido de titanio, no hay otros picos que se relacionen con compuestos o fases nuevos. Esta es una referencia a la falta de reacción entre el cobre y el dióxido de titanio.

Representativos de los patrones de XRD de varias concentraciones de TiO2 dopadas en matriz de Cu (a) 10, (b) 20, (c) 30 y (d) 40% en peso de TiO2.

No se han observado picos intermetálicos entre el cobre y el dióxido de titanio, y esto es un resultado directo del fresado bien regulado realizado por la máquina. La estructura del metal de cobre se conoce como FCC (Face Centered Cubic) y su radio atómico es de 128 pm. En cambio, la estructura del titanio se conoce como HCP (Hexagonal Close Packed) y su radio atómico es de 147 pm. El Cu con su radio atómico más pequeño puede reemplazar a los átomos de Ti o intersticiales incorporados en los cristales de Ti, lo cual es causado por la interacción entre los cristales de Cu y Ti, lo cual es causado por la mezcla de Cu y TiO2 mediante molienda mecánica durante un largo tiempo con una alta velocidad de rotación. Esto sucede debido a la interacción entre los cristales de Cu y Ti. Debido a esto, hay ciertos cambios en la estructura del cristalito, lo que es un signo de una mezcla exitosa entre la matriz de Cu y TiO2 como refuerzo. La interacción entre Cu y TiO2 se puede comprobar en mayor medida mediante el examen de la estructura cristalina, si se utilizan los ajustes adecuados para el proceso de molienda mecánica. Para determinar el tamaño de los cristalitos, se utilizó el ancho total a la mitad del máximo (FWHM) de los picos de difracción junto con el enfoque de Scherer. Los resultados de los cálculos se dan en la Tabla 2. El tamaño de partícula más pequeño del TiO2 puede dar lugar a una mayor superficie específica y a la relación superficie-volumen de la célula solar, así como a una mayor banda prohibida, lo que puede aumentar la Eficiencia de la celda solar. Varias investigaciones y mediciones han llevado a los investigadores a la conclusión de que reducir el tamaño cristalino de las células basadas en TiO2 puede ayudar a mejorar su producción fotovoltaica al aumentar la vida útil de los electrones, facilitar un transporte más rápido de los electrones, aumentar la eficiencia de recolección de carga y reducir la cantidad de recombinación que ocurre27 .

Como se puede ver en la Fig. 3, las vibraciones de estiramiento y flexión del OH son responsables de las bandas de absorción en los espectros, que se encontraron en 3426 y 1620 cm-1 respectivamente. Además, entre 500 y 900 cm-1 se detectó una banda de Ti-O. Las intensidades de las bandas OH (tanto de estiramiento como de flexión) y de las bandas Ti-O, por otro lado, disminuyeron a medida que aumentó la cantidad de Cu en la muestra28. El hecho de que los picos en el área entre 500 y 1000 cm-1 sean distintos de los del CuO puro y del TiO2 puro implica la formación de nuevos enlaces metal-oxígeno. Estos hallazgos dan credibilidad a la hipótesis de que se formó un enlace de óxido mixto (Ti-O-Cu), ya que se observó evidencia de este tipo de enlace a 2922 cm-1. Después de ser tratado, se encontró que el fotocatalizador de TiO2 tenía una cantidad significativa de vapor de agua y grupos hidroxilo superficiales adsorbidos29.

Representativos de los espectros DRIFTS del catalizador Cu-TiO2 con diversos contenidos de Cu: 10, 20, 30 y 40% en peso de TiO2. (a) Representa Cu + 10% en peso de TiO2; (b) Representa Cu + 20% en peso de TiO2; (c) Representa Cu + 30% en peso de TiO2; y (d) Representa Cu + 40% en peso de TiO2. Los picos se refieren a bandas de absorción en los espectros, ya que en 3426 y 1620 cm-1 se deben a vibraciones de flexión y estiramiento de OH. La banda Ti-O se detectó entre 500 y 900 cm-1. El enlace de óxido mixto (Ti – O – Cu) apareció a 2922 cm-1.

En la Fig. 4 se ilustran micrografías SEM del compuesto de Cu reforzado con nano-TiO2. Las Figuras 4a y b muestran Cu puro y TiO2 puro, respectivamente. La microestructura del polvo compuesto de Cu-TiO2, en las figuras 4c-f, corresponde a 10, 20, 30 y 40% en peso de TiO2 en la matriz de Cu, respectivamente. Como se sabe, el parámetro necesario en la producción de nanocompuestos es un nanorefuerzo adecuado y bien disperso en la matriz metálica. Las partículas de nano-TiO2 se distribuyeron de manera uniforme en todo el compuesto de matriz de Cu, como se muestra en la Fig. 4. Otra observación que se puede hacer es que el material de refuerzo de nano-TiO2 se dispersó apropiadamente, quedó atrapado dentro de la matriz de Cu y Se adhirió con mucha fuerza ya que el TiO2 es una sustancia útil para el funcionamiento de las células solares. Como resultado, es posible mejorar la actividad fotocatalítica del compuesto de Cu-TiO2 creado agregándolo a la matriz de cobre a nanoescala en cantidades de un porcentaje considerable, como 20, 30 y 40% en peso, y mezclándolo bien mecánicamente. la manera más efectiva de hacerlo.

Representativas las micrografías SEM del compuesto de Cu con diferentes concentraciones de nano-TiO2 (a) representa Cu solo (b) representa Cu solo con mayor aumento (c) representa Cu con 10% en peso de TiO2 (d) representa Cu con 20% en peso. % TiO2 (e) representa Cu con 30% en peso de TiO2 (f) representa Cu con 40% en peso de TiO2.

Además, el TiO2 es una sustancia cerámica que puede funcionar como un poro interno, reduciendo así el tamaño de las partículas del cobre. Esto da como resultado un aumento en el área superficial, lo que a su vez resulta en un aumento en la actividad fotocatalítica. Las cantidades de polvo crudo de TiO2 recuperadas tanto en la fase anatasa como en la fase rutilo y en rutilo tuvieron picos muy pequeños, que solo se mostraron en el alto% de TiO2 (40%). Estos hallazgos indican que la muestra del 40% contiene dos tipos diferentes de TiO2 tetragonal. Sin embargo, cuando la proporción de TiO2 es menor, los picos de rutilo no se destacan tan claramente debido a la baja proporción, lo que hace que la intensidad del pico sea bastante baja.

Debido al eficaz procedimiento de molienda, se ha descubierto que las partículas de Cu y TiO2 han alcanzado un alto nivel de homogeneidad en todas las muestras. Cuando la relación bola-polvo se optimiza en 20:1, el período de molienda se extiende a 24 h y la velocidad de rotación se aumenta a 250 revoluciones por minuto (rpm), las partículas de cobre se endurecen por deformación y se fracturan, lo que resulta en una disminución en el tamaño de las partículas. El tamaño de grano de las partículas de Cu se ha reducido tras el aumento del porcentaje de TiO2 presente. Esto puede deberse a la calidad cerámica de las partículas de TiO2; estas partículas funcionan como bolas internas y provocan fracturas en las partículas de Cu. Para las figuras 4c a f, las partículas de TiO2 están bien incrustadas en las partículas de Cu durante el proceso de molienda mecánica. Además, se distribuyen bien en la matriz de Cu. TiO2 en nano 50 nm y polvo de cobre A (suministrado por Alpha Chemicals, EE. UU.) con 10 μm. Entonces, las partículas pequeñas en las imágenes SEM corresponden a TiO2 y las partículas más grandes pertenecen al cobre.

Pocas partículas de TiO2 se agregan como bolsas, para muestras con 40% en peso de TiO2. Esto puede atribuirse a la gran superficie entre las partículas metálicas de Cu y las cerámicas de TiO2. No hay humectabilidad entre ellos. Además, una gran diferencia entre sus puntos de fusión. El análisis EDS de muestras de Cu-TiO2 se muestra en la Fig. 5 y la Tabla 3, ya que los polvos compuestos contienen picos para los átomos de Cu, Ti y O. Y todos los polvos compuestos preparados no tienen granos equiaxiales.

Representa la imagen EDX de nanopartículas de Cu-TiO2 y se puede ver la existencia de Cu y Ti con una proporción mayor. El color azul representa el Cu sin TiO2 y el color rojo representa el Cu con 40% en peso de TiO2. Se observa que los polvos compuestos contienen picos para los átomos de Cu, Ti y O.

Los espectros UV-vis-IR se muestran en la Fig. 6 e indican cómo la reflectancia del espectro UV-vis-IR se ve afectada por las diferentes concentraciones de dopante de cobre producido. A medida que aumentaba la concentración de TiO2, se descubrió que la reflectancia se desplazaba hacia la zona de luz visible, y esto fue causado por el cambio de la energía de la banda prohibida que se muestra menor cuando hay una mayor concentración de TiO2. Según la teoría de Kubelka-Munk, la función Schuster-Kubelka-Munk se da en términos de la banda prohibida óptica (Eg) como:

donde h es la constante de Planck, ν es la frecuencia de vibración y A es una constante de proporcionalidad.

Representativo de los espectros de reflectancia UV-vis-IR de Cu-TiO2 con diferentes porcentajes en peso de 20, 30 y 40% en peso de TiO2.

El valor del exponente n significa la naturaleza de la transición, con n = 1/2 o 2 para la transición directa/indirecta permitida, respectivamente. Por lo tanto, la energía de banda prohibida se puede evaluar a partir de los espectros de reflectancia extrapolando la gráfica de línea recta de (F(R∞) *hν)2 o (F(R∞)*hν)1/2 versus (hν) como se muestra en Fig. 7. La Tabla 4 muestra los valores de la banda prohibida para diferentes concentraciones de TiO2.

Gráficos representativos de hvFSKM(R))2 frente a hv de Cu-TiO2 con diferentes porcentajes en peso: 10, 20, 30 y 40% en peso de TiO2.

Este cambio en la banda prohibida puede deberse probablemente a la fusión de iones Ti en la estructura cristalina de Cu y a los centros de defectos formados por la sustitución de Cu por iones Ti en la red cristalina de Cu, lo que resulta en cambios en la absorción óptica. La banda prohibida también se puede determinar mediante la siguiente fórmula:

donde h (constante de Planks) = 6,63 × 10–34 Js; C (velocidad de la luz) = 3,0 × 108 m/s; λcutoff (longitud de onda de corte) = 4,11 × 10–7 m. Nota: 1 eV = 1,6 × 10–19 J (el factor de conversión).

La concentración adecuada de TiO2 en la matriz de Cu es del 20 al 40% para la aplicación de células solares. Esto se debe a la necesidad de material reforzado para mejorar la captación de luz de la célula y a las importantes características de los materiales mesoporosos de TiO2. Estas características, como una alta superficie específica, distribución del tamaño de los poros y proporcionar más sitios reactivos en las superficies para reacciones fotocatalíticas.

De acuerdo con las excelentes propiedades ópticas y el bajo costo de deposición de las películas delgadas de dióxido de titanio (TiO2), tienen una larga historia en la energía fotovoltaica (PV) de silicio como recubrimientos antirreflectantes (AR). Este estudio identifica varias aplicaciones inexploradas para las películas delgadas de Cu-TiO2, incluida la mejora del rendimiento de las células solares de silicio (Si), la reducción de los costos asociados con la fabricación de dispositivos y la simplificación del proceso de preparación30. Se utilizó una tecnología conocida como deposición química de vapor (CVD) para depositar capas de Cu-TiO2. Las instalaciones son proporcionadas por el Nano laboratorio de ERI, que ayuda al equipo. Un revestimiento antirreflectante de una sola capa, abreviado como SLAR, es el mínimo necesario para la fabricación de células solares de silicio en el mundo actual. El silicio y otros materiales que son semiconductores se pueden utilizar eficazmente para absorber la luz. Por otro lado, estas sustancias tienen índices de refracción relativamente altos31.

La variedad de concentraciones de dopaje y muestra la distribución del espectro de la transmitancia óptica de películas de TiO2 dopadas con cobre. Esta figura también demuestra el rango de concentraciones de dopaje. Tanto la parte del espectro electromagnético que es ultravioleta como la parte visible se utilizaron para realizar la prueba que investigó el nivel de transmitancia de las películas recubiertas. Además, los valores de transmitancia óptica caen cuando hay una mayor concentración de cobre. Este comportamiento se produce por un aumento en el número de electrones que se liberan cada vez que hay una mayor concentración de cobre presente en el sistema.

El índice de refracción del silicio es nsi = 3,939 a 600 nm. Este índice de refracción es mucho mayor que el del aire, que tiene un índice de refracción constante de n0 = 1,0, y el del vidrio (n0 = 1,52 a 600 nm). La reflectancia de la luz que normalmente incide en dicha interfaz viene dada por:

lo que significa que en el primer rebote, aproximadamente el 35,4% o el 19,6% de la luz se refleja en una interfaz aire: silicio o vidrio: silicio, respectivamente. Si se inserta un recubrimiento AR de espesor óptimo entre el silicio y el medio ambiente, la reflectancia mínima viene dada por:

donde nAR es el índice de refracción del recubrimiento. Para lograr una reflectancia cero en una longitud de onda, el valor de nAR debe ser.

y el espesor de la película (dAR) debe cumplir con el requisito de espesor óptico de un cuarto de onda que puede formularse como:

La fórmula está relacionada con el diseño de recubrimientos antirreflectantes para superficies ópticas. Aquí están las bases relevantes: dAR representa el espesor del recubrimiento antirreflectante en nanómetros (nm), λ0 representa la longitud de onda de la luz incidente en el vacío, típicamente en unidades de nanómetros (nm), nAR representa el índice de refracción del recubrimiento antirreflectante en la longitud de onda λ0.

La fórmula se deriva del principio de interferencia óptica. Cuando la luz incide sobre una película delgada con un espesor d y un índice de refracción n, parte de la luz se refleja en la interfaz aire-película y otra parte se transmite a través de la película. Las ondas de luz reflejadas y transmitidas interfieren entre sí y el patrón de interferencia resultante determina la cantidad de luz reflejada. Para un recubrimiento antirreflectante, el objetivo es minimizar la cantidad de luz reflejada a una longitud de onda específica λ0. Esto se puede lograr eligiendo un espesor dAR y un índice de refracción nAR de modo que las ondas de luz reflejadas interfieran destructivamente, anulándose entre sí. La fórmula dAR = λ0/(4nAR) proporciona el espesor óptimo del recubrimiento antirreflectante para lograr este patrón de interferencia en la longitud de onda λ0.

Existen muchos parámetros para elegir el material antirreflectante, como resistir la corrosión, soportar altas temperaturas y otros muchos parámetros. El Cu reforzado con TiO2 se puede utilizar como material óptimo para SLAR. Controlar la proporción de TiO2 en el cobre puede lograr el espesor de película y la reflectividad requeridos. Debido a las Ecs. (5) y (6), el recubrimiento AR debe tener 1,98 y 75,6 nm de índice de refracción y espesor, respectivamente. Estos valores se pueden lograr utilizando un compuesto de Cu-TiO2. La Figura 8 mostró el Cu-TiO2 como recubrimiento AR para una célula solar de silicio. Puede lograrse bajo la condición de un índice de reflexión fijo en la región visible32.

Representativo del Cu-TiO2 como recubrimiento AR para una célula solar de silicio.

Una célula solar es un dispositivo eléctrico que convierte la energía luminosa directamente mediante el efecto fotovoltaico. Es un tipo de célula fotoeléctrica. Entonces, tiene características eléctricas, como corriente, resistencia eléctrica o voltaje, que varían cuando se exponen a la luz. La célula solar considera bloques de construcción eléctricos de módulos fotovoltaicos, llamados paneles solares. Los electrones se excitan desde su orbital. Puede disipar la energía en forma de calor y regresa a su orbital. La corriente fluye a través del material para cancelar el potencial y esta electricidad es capturada. Por tanto, estudiar la conductividad eléctrica y térmica es una buena indicación de la calidad de la célula solar. La Figura 9 muestra el efecto de las adiciones de TiO2 sobre la conductividad eléctrica de los polvos de nanocompuestos de Cu-TiO2. Disminuye gradualmente al aumentar el% de TiO2. Esto se puede atribuir a la menor conductividad eléctrica del TiO2 que la del Cu. Como la resistividad eléctrica del TiO2 es de 420 nΩ.m, mientras que la del Cu es de 16,78 nΩ.m. Así, el TiO2 resiste más que el Cu el seguimiento de los portadores de carga electrónica. En consecuencia, la conductividad eléctrica disminuye33.

Representativo de la conductividad eléctrica de Cu-TiO2 en diferentes porcentajes 10, 20, 30 y 40% en peso del contenido de TiO2.

La Figura 10 muestra la relación entre el% de TiO2 y la conductividad térmica de la matriz de Cu. Se disminuye gradualmente aumentando el % de TiO2. Esto puede explicarse por el valor de conductividad térmica más bajo del TiO2 que el del Cu, que es 21,9 W/mK para TiO2 y 401 W/mK para Cu. Entonces, de acuerdo con la regla de mezcla, la conductividad térmica general de los nanocompuestos de Cu-TiO2 disminuye mediante la adición de partículas de TiO2 de menor conductividad. En el que el TiO2 restringe la transferencia de calor en la matriz de Cu.

Representativa de la conductividad térmica de Cu-TiO2 en diferentes porcentajes de 10, 20, 30 y 40% en peso del contenido de TiO2.

Cabe señalar que, aunque las adiciones de TiO2 a la matriz de cobre disminuyen tanto la conductividad eléctrica como la térmica, todavía se encuentra en el área de trabajo de las aplicaciones de Cu. Como reforzar Cu con TiO2 no convierte el cobre en material no conductor, solo disminuye su conductividad.

En este artículo, se prepararon con éxito polvos de nanocompuestos de Cu-TiO2 mediante el método de molienda mecánica. En este método de preparación, los polvos compuestos pesados ​​se mezclaron en un vial de acero inoxidable y se protegieron de la oxidación usando argón puro, mediante una relación bola de acero a polvo (BPR) de 20:1, un diámetro de bola de 5 mm y un Velocidad de rotación de 250 rpm. Diversos contenidos de partículas de nano-TiO2 reforzaron con éxito el compuesto de matriz de Cu y se distribuyeron uniformemente dentro de la matriz mediante el proceso de fabricación de la técnica de pulvimetalurgia. El Cu-TiO2 se ha caracterizado mediante el uso de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), difracción de rayos X (XRD), microscopio electrónico de barrido (SEM) para determinar su estructura cristalina y espectrometría de absorción UV-visible (UV-Vis) para estimar la propiedades ópticas. El patrón de difracción de rayos X mostró picos correspondientes a Cu y TiO2. No hubo registros de ningún otro compuesto intermetálico que interfiriera en el patrón XRD. Por otro lado, las imágenes SEM mostraron una dispersión adecuada y homogénea de TiO2 en la matriz compuesta fabricada. Este artículo también estudió la influencia de varias concentraciones de dopantes de TiO2 preparados sobre la reflectancia UV-vis-IR. Se puede observar que al aumentar la concentración de TiO2 aumenta el% de reflexión, lo cual es bueno en diferentes aplicaciones relacionadas con la fabricación de células solares.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Financiamiento de acceso abierto proporcionado por la Autoridad de Financiamiento de Ciencia, Tecnología e Innovación (STDF) en cooperación con el Banco Egipcio de Conocimiento (EKB). Este trabajo fue financiado por el propio.

Laboratorio central de nanotecnología, Instituto de Investigación Electrónica (ERI), El Cairo, Egipto

Ashraf K. ¿Dónde?

Departamento de Tecnología de Polvos, Instituto del Centro de Investigación y Desarrollo Metalúrgico (CMRDI), El Cairo, Egipto

Omayma A. Elkady

Departamento de Química Física, Laboratorio de Electroquímica y Corrosión, Centro Nacional de Investigación, El-Bohouth St. 33, Dokki, PO 12622, Giza, Egipto

AM El Shamy

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AKE, OAE y AME-S. analizó los datos y escribió el manuscrito; La OAE actúa como consultora de la información científica; AKE diseñó y apoyó el experimento, y AME-S. ayudó a realizar el análisis con discusiones constructivas.

Correspondencia a AM El-Shamy.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Eessaa, AK, Elkady, OA y El-Shamy, AM La pulvimetalurgia como técnica perfecta para la preparación de compuestos de Cu-TiO2 mediante la identificación de su microestructura y propiedades ópticas. Representante científico 13, 7034 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33999-y

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Recibido: 02 de diciembre de 2022

Aceptado: 22 de abril de 2023

Publicado: 29 de abril de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33999-y

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