Óxido de zinco dopado com alumínio: preparação de alvos por reação do estado-sólido para deposição de filmes finos via sputtering

Abstract

Óxidos condutores transparentes (TCOs) são materiais que apresentam importantes propriedades para serem funcionalizados como eletrodos para aplicações em dispositivos optoeletrônicos. O óxido de zinco dopado com alumínio (AZO) é um TCO, com característica de semicondutor, amplamente estudado, pois apresenta boas propriedades ópticas e elétricas, além de dispor de baixo custo de produção quando comparado a outros. O AZO, quando disposto na forma de filmes finos, apresenta tais propriedades potencializadas de acordo com a dopagem de Al na rede do ZnO, tornando-o um excelente candidato a ser utilizado em dispositivos de conversão de energia. Neste trabalho, foram preparados alvos cerâmicos de ZnO dopados com 1,5, 2,5 e 3,5 em % de mol de Al, por reação de estado sólido, sinterizados a 1250C. Os alvos foram caracterizados por difração e fluorescência de raios X para acompanhamento da fase AZO formada e da composição química e, também, quanto à densidade usando o método de Arquimedes. Os resultados mostraram alvos monofásicos para valores de até 1,5% do dopante Al na rede ZnO. A partir de 2,5% de Al, houve a formação de uma fase secundária de ZnAl2O4. A densidade dos alvos variou de 84 a 95% da densidade teórica, de acordo com o percentual do dopante. Os alvos foram utilizados para deposição de filmes finos por sputtering, com tempos variando em 20, 40 e 60 min, que foram caracterizados quanto ao comportamento óptico e elétrico em função da dopagem com Al e do tempo de deposição. Os filmes finos depositados a partir dos alvos produzidos possuem cristalinidade com orientação preferencial da fase AZO, transparência óptica acima de 60% da região do visível e resistividade elétrica de ordem 102− 10−1Ωcm.

Transparent conductive oxides (TCOs) are materials that have important properties to be functionalized as electrodes for applications in optoelectronic devices. Aluminum-doped zinc oxide (AZO) is a TCO, with semiconductor characteristics, widely studied, as it has good optical and electrical properties, in addition to having a low production cost, when compared to others. AZO, when disposed in the form of thin films, presents such potentiated properties, according to the Al doping in the ZnO network, making it an excellent candidate to be used in energy conversion devices. In this work, ZnO ceramic targets doped with 1.5, 2.5 and 3.5 mol% Al were prepared by solid state reaction, sintered at 1250C. The targets were characterized by X-ray diffraction and fluorescence to monitor the AZO phase formed and the chemical composition, and for density using the Archimedes method. The results showed single-phase targets for values of up to 1.5 mol% of the Al dopant in the ZnO network. From 2.5 mol% Al, there was the secondary phase of ZnAl2O4 formation. The target density ranged from 84 to 95% of the theoretical density, according to the dopant percentage. The targets were used for thin films deposition via sputtering, with times varying in 20, 40 and 60 min, which were characterized by optical and electrical properties, as a function of Al doping and deposition time. The thin films deposited from the produced targets have crystallinity with preferential orientation of the AZO phase, exhibit optical transparency above 60% in the visible region and electrical resistivity on the order of 102 − 10−1Ωcm.