Desorption influence of water on structural, electrical properties and molecular order of vanadium pentoxide xerogel films

C.L. Londoño–Calderón, C. Vargas–Hernández, and J.F. Jurado

Laboratorio de Propiedades Ópticas de Materiales, Departamento de Física y Química, Universidad Nacional de Colombia, A.A 127, Manizales, Colombia, e–mail: jfjurado@unal.edu.co

Recibido el 16 de junio de 2010 ]]> Aceptado el 18 de agosto de 2010

Abstract

Vanadium pentoxide xerogel films were grown by sol–gel method on pre–treated glass substrates, the gelation time was 14 days. The crystallinity of the films was analyzed with X–ray diffraction (XRD), identifying the composite V₂O₅·nH₂O before, and both vanadium pentoxide xerogel and α·V₂O₅ phases after, being subjected to thermal treatment (47, 97, 147, 204, 237, 272, 297 and 330°C during 15 minutes in each isotherm). The termal treatment reduces the degree of hydrations gel (n) from 2.1 to 1.4, besides the secondary phase (α·V₂O₅) has lattice parameters very similar to the precursor powder (which deviate about 0.3%). The electrical conductivity presents a semiconductor behavior in agreement with small polaron model, thermally activated and irreversible. The activation energies for three consecutive cycles were studied and analyzed: a strong dependency between the degree of hidratation's gel n with activation energy for high and low temperature regions was found. µ–Raman Spectroscopy showed the influence of temperature in the vanadium pentoxide gel film, presenting a phase transition from crystalline–amorphous for temperatures above 272^°C and inferring that the water presence in the sample is responsible in some way for the crystallinity of the material.

Keywords: V₂O₅ xerogel; XRD; electrical conductivity; µ–Raman.

Resumen

Películas del xerogel pentóxido de vanadio, fueron crecidas por el método de sol gel sobre substratos de vidrio previamente tratados, el tiempo de gelación fue de 14 días. La cristalinidad de las películas fue analizada con difracción de rayos–X (XRD), identificando el composito V₂O₅·nH₂O antes y las fases pentoxido de vanadio xerogel y α·V₂O₅, después de ser sometidas a tratamiento térmico (47, 97, 147, 204, 237, 272, 297 y 330°C durante 15 minutos en cada isoterma). El tratamiento térmico reduce el grado de hidratación del gel (n) desde 2.1 hasta 1.4. La fase secundaria (α·V₂O₅) tiene parámetros de red muy similares a los del precursor en polvo (los cuales no sobrepasan el 0.3%). La conductividad eléctrica presenta un comportamiento tipo–semiconductor de acuerdo con el modelo del pequeño polarón, térmicamente activado e irreversible. Las energías de activación para tres ciclos consecutivos fueron estudiados y analizados, encontrándose una fuerte dependencia entre el grado de hidratación del gel n con la energía de activación, para las regiones de altas y bajas temperaturas. Espectroscopia µ–Raman mostró la influencia de la temperatura sobre las películas del gel oxido de vanadio, presentando una transición de fase de cristalino–amorfo para temperaturas superiores 272°C, infiriendo que la presencia del agua en la muestra es responsable de alguna forma de la cristalinidad del material.

Descriptores: Pentóxido de vanadio; XRD; conductividad eléctrica; micro–Raman.

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Acknowledgments

This work was supported by Universidad Nacional de Colombia– Manizales.

References

1. Y.T. Oka Yao and N. Yamamoto, Journal of Solid State Chemistry 132 (1997) 323.         [ Links ]

2. R. Subba et al., Journal of Power Sources 166 (2007) 244.         [ Links ]

3. J. Livage, Chemistry of Materials 3 (1991) 578.         [ Links ]

4. J. Livage, F Beteille, C. Roux, M. Chatry, and P. Davidson, Acta Materialia 46 (1998) 743.         [ Links ]

5. B. Alonso and J. Livage, Journal of Solid State Chemistry 148 (1999) 16.         [ Links ]

6. B.D. Cullity, Elements of X–Ray Diffraction (Addison–Wesley, Publishing Company, 1956).         [ Links ]

7. P. Nam–Gyu, et al., Journal of Power Sources 103 (2002) 273.         [ Links ]

8. Z.S. El Mandouh and M.S. Selim, Thin Solid Films 371 (2000) 259.         [ Links ]

9. G.N. Barbosa, C.F.O. Graeff, and H.P. Oliveira, Ecletica Química 30 (2005) 259.         [ Links ]

10. S.H. Lee et al., Solid State Ionics 165 (2003) 111.         [ Links ]

11. E. Cazzanelli, G. Mariotto, S. Passerini, and W.H. Smyrl, Journal of Non–Crystalline Solids 208 (1996) 89.         [ Links ]

12. R.T. Rajendra Kumar et al., Materials letters 57 (2003) 3820.         [ Links ]

13. C.J. Fontenot, Investigation of the peroxovanadate sol–gel process and characterization of the gels Ph.D. thesis. (Iowa State University, 2001).         [ Links ]

14. C. Sanchez; M. Henry; J.C. Grenet and J. Livage, Journal of Physics C–SolidState Physics 15 (1982) 7133.         [ Links ]

15. P. Balog, D. Orosel, Z. Cancarevic, S. Schounn and M. Jansen, Journal of Alloys and Compounds 429 (2007) 87.         [ Links ]

16. M.S. Al–Assiri et al., Optics and Laser Technology 42 (2010) 994.         [ Links ]