Dispositivos funcionais baseados em nanomembranas auto-enroladas de ZnO derivado de ZIF-8

Abstract

A compreensão do alinhamento dos níveis de energia nas interfaces é fundamental para o desenvolvimento de dispositivos em escala nanométrica. As informações obtidas do mapeamento de potencial em função da espessura permitem projetar contatos mais eficientes e determinar a espessura ideal para dispositivos. Neste trabalho, filmes finos de óxido de zinco (ZnO) e estruturas metal-orgânicas (MOFs), mais especificamente estruturas zeolíticas de imidazólio (ZIF-8), foram estudados em contato com eletrodos padrão da microeletrônica (Au, Cr e Ti). Técnicas de alta resolução espacial como a microscopia de força atômica (AFM) e a microscopia de potencial de superfície (KPFM) proporcionaram uma análise detalhada dessas interfaces. O estudo minucioso de interfaces metal-semicondutor possibilitou a extração de parâmetros essenciais para o desenvolvimento de dispositivos. Foi observado que a presença de monocamadas auto-organizadas (SAM) de 16-mercapto-hexadecanoico (C16) sob o ZIF-8 atua como barreira para a injeção de carga. A curvatura das bandas de energia na interface sugere um contato ôhmico apenas com o eletrodo de Au. Para correlacionar os parâmetros da interface, esses filmes foram integrados em dispositivos baseados na tecnologia de nanomembranas auto-enroladas, o que possibilitou a criação de contatos robustos e suaves em estruturas porosas. As estruturas metal-orgânicas foram submetidas a atmosferas controladas de compostos orgânicos voláteis (VOCs), como a água, etanol e isopropanol, resultando em um aumento da corrente com o preenchimento dos poros. Os filmes finos de ZnO apresentaram contato do tipo Schottky com todos os eletrodos avaliados. A estabilização do potencial do filme ocorre em 20 nm sobre o Au, mas requer espessuras superiores a 30 nm para os eletrodos de Cr e o Ti oxidados (Cr* e Ti*). O mecanismo de transporte de carga demonstrou dependência com a espessura, a temperatura e o campo elétrico: filmes finos (25,8 nm) exibiram comportamento ôhmico, enquanto filmes mais espessos (107,8 nm) mostraram uma transição para o regime de corrente limitada pela carga espacial (SCLC) em campos elétricos superiores a 33,4 kV/cm (a 300 K). A substituição do eletrodo inferior de Au por Cr* resultou em um comportamento retificador e no surgimento do regime de corrente limitada por preenchimento de armadilhas (TFLC) em campos elétricos entre 32,4 kV/cm e 105,4 kV/cm, retornando ao regime SCLC para campos elétricos superiores. Os estudos realizados visaram extrair parâmetros de interfaces de filmes finos sobre eletrodos, estabelecendo um roteiro para o design de dispositivos eletrônicos.

An understanding of energy level alignment at interfaces is fundamental to the successful development of nanoscale devices. Information obtained from potential mapping as a function of thickness allows for the design of more efficient contacts and the determination of the ideal thickness for devices. In this work, zinc oxide (ZnO) and metal-organic frameworks (MOFs) thin films, specifically zeolitic imidazolate frameworks (ZIF-8), were studied in contact with standard microelectronics electrodes (Au, Cr, and Ti). High-spatial-resolution techniques such as atomic force microscopy (AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM) provided a detailed analysis of these interfaces. The meticulous investigation of these metal-semiconductor interfaces allowed for the extraction of critical parameters essential for device engineering. It was observed that the presence of a self-assembled monolayer (SAM) of 16-mercaptohexadecanoic acid (C16) acts as a barrier to charge injection in ZIF-8, and the energy band bending suggested an Ohmic contact only with the Au electrode. To correlate these findings with device performance, the films were integrated into structures based on self-rolled nanomembrane technology, which provided robust, smooth contacts on the porous ZIF-8. Electrical measurements confirmed that exposure to controlled atmospheres of volatile organic compounds (VOCs), such as water, ethanol, and isopropanol, resulted in a measurable increase in current as the pores became filled. ZnO thin films consistently exhibited a Schottky-type contact with all evaluated electrodes. The film's potential stabilization occurred at a thickness of 20 nm over Au, but required higher than 30 nm for the oxidized Cr and Ti electrodes (Cr* and Ti*). The charge transport mechanism in ZnO showed strong dependence on thickness, temperature, and electric field: thin films (25.8 nm) displayed Ohmic behavior, while thicker films (107.8 nm) transitioned to the Space Charge Limited Current (SCLC) regime at electric fields exceeding 33.4 kV/cm (at 300 K). The replacement of the Au bottom electrode with Cr introduced a rectifying behavior and induced the Trap-Filled Limited Current (TFLC) regime within the field range of 32.4 kV/cm to 105.4 kV/cm, with a return to the SCLC regime at higher electric fields. These studies successfully extracted vital interface parameters, establishing a valuable roadmap for the rational design of future electronic devices.