Análise de filmes de óxido de molibdênio (MoOx) produzidos pelo método de sputtering reativo com diferentes fluxos de oxigênio

Abstract

Filmes de óxido de molibdênio (MoOx) são amplamente utilizados em dispositivos eletrocrômicos, eletrocatalíticos e como camadas transportadoras de elétrons em células solares. Neste estudo, investigaram-se as propriedades estruturais, morfológicas e ópticas de filmes de MoOx depositados por sputtering reativo. Os filmes foram crescidos em três séries de deposições com condições controladas de fluxo de oxigênio e tratamento térmico. Na primeira série, os filmes foram depositados com um fluxo de oxigênio fixo de 4,0 sccm, depositados a uma temperatura de 80 °C e tratados termicamente a diferentes temperaturas (150, 300, 450 e 600 ◦C). Na segunda série, o fluxo de oxigênio variou de 2,5 a 4,0 sccm, depositados a 80 ºC, com os filmes tratados até 350 ◦C. Já na terceira série, o fluxo foi variado entre 2,5 e 4,5 sccm, com deposições realizadas a 300 ◦C. A fase 𝛼-MoO3 só foi observada nesta terceira série, devido à maior temperatura de deposição. Difratogramas das duas primeiras séries revelaram que os filmes recém depositados não apresentavam picos de difração bem definidos, mas os tratados termicamente a partir de 300 ◦C apresentaram picos compatíveis com a estrutura ortorrômbica da fase 𝛽-MoO3 . A caracterização óptica mostrou valores de bandgap variando de 2,1 a 2,7 eV, dependendo das condições de deposição e tratamento térmico. A análise por microscopia eletrônica de varredura dos filmes da terceira série revelou que fluxos intermediários de oxigênio resultaram em superfícies mais uniformes e bem organizadas, ao passo que fluxos baixos e elevados levaram à formação de filmes com maior desordem. Espectros Raman realizados na terceira série de filmes confirmaram a presença de 𝛼-MoO3, com modos vibracionais característicos intensos em fluxos intermediários. Esses resultados evidenciam como o controle do fluxo de oxigênio e o tratamento térmico influenciam diretamente propriedades críticas dos filmes de MoO𝑥, como cristalinidade, bandgap óptico e uniformidade morfológica.

Molybdenum oxide (MoOx) films are widely used in electrochromic and electrocatalytic devices, as well as in solar cells as electron transport layers. In this study, the structural, morphological, and optical properties of MoOx films deposited by reactive sputtering were investigated. The films were grown in three deposition series under controlled oxygen flow and thermal treatment conditions. In the first series, the films were deposited with a fixed oxygen flow of 4.0 sccm at a temperature of 80 °C and thermally treated at different temperatures (150, 300, 450, and 600 °C). In the second series, the oxygen flow varied from 2.5 to 4.0 sccm, with depositions carried out at 80 °C and subsequent thermal treatments up to 350 °C. In the third series, the oxygen flow ranged from 2.5 to 4.5 sccm, with depositions performed at 300 °C. The 𝛼-MoO3 phase was observed only in this third series, due to the higher deposition temperature. X-ray diffraction (XRD) patterns from the first two series revealed that the as-deposited films did not exhibit well-defined diffraction peaks, indicating low crystallinity. However, the films thermally treated at temperatures above 300 °C showed diffraction peaks consistent with the orthorhombic structure of the 𝛽-MoO3 phase. Optical characterization showed bandgap values ranging from 2.1 to 2.7 eV, depending on the deposition and annealing conditions. Scanning electron microscopy analysis of the third-series films revealed that intermediate oxygen flows resulted in more uniform and well-organized surfaces, whereas both lower and higher flows led to increased structural disorder. Raman spectra obtained from the third series confirmed the presence of 𝛼-MoO3, with intense characteristic vibrational modes at intermediate oxygen flows. These results demonstrate that controlling the oxygen flow and thermal treatment directly influences critical properties of MoOx films, such as crystallinity, optical bandgap, and morphological uniformity.